Enige tips in verband met het koppelen van lineaire antennes ter verkrijging
van circulaire polarisatie, berekening van de 1/4 Lamba delen en de
bevestiging en bepaling van de richting van de draaing.
KOPPELEN
VAN LINEAIRE ANTENNES : R/L-HCP
Daar ik nog enige
( lineaire ) antennes liggen had vroeg ik mij af of ik geen combinatie
kon maken ermee ( bestemd voor toepassing circulaire polarisatie ).
Al zeer snel bleek mij dat dit uitstekend kan ( ARRL antenne handboek
- Rothammel ).
ELEKTRISCH
: KEUZE VAN DE KABEL IMPEDANTIE
De impedanties
van de twee toegepaste antennes in het voedingspunt moeten parallel
worden gedacht, voor twee antennes met een impedantie van 52 ohm elk
komt men nu uit op 26 ohm. Echter op dit punt van 'samenkomst' moet
men juist 52 ohm vinden.
Met betrekking tot de aanpas leidingen ( 1/4 lambda of ONEVEN veelvoud
) geldt nu dat we impedantie transformatie toepassen met een uitkomst
van 104 ohm. Immers parallel gedacht geeft dit een impedantie van
52 ohm.
We kunnen dan
bijvoorbeeld RG 11/U gebruiken ( 75 ohm ) want er geldt : Zk kwadraat
= Zin . Zuit ( afgeleide van : Zin = Zk kwadraat / Zuit : formule
1/4 lambda coax trafo ) !
Zin = 52 ohm, Zuit = 104 ohm => Zk kwadraat = 5408 ohm => Zk
= 73.5 ohm ~ 75 ohm .....
Een en ander is
gemakkelijk met onderstaand JS te berekenen :
Voor de 104 ohm
fase leiding ( 1/4 lambda ) kan je eventueel
RG 133/U gebruiken ( 95 ohm ).
Merk op dat de theoretische impedantie van deze fase leiding eigenlijk
geen 104 ohm maar 108 ohm zou moeten zijn omdat er immers voor de
aanpas leidingen 75 ohm coax in plaats van 73.5 ohm coax wordt toegepast
waardoor de impedantie Zin = 52 ohm ( antenne voetpunt impedantie
) wordt getransformeerd naar 108 ohm hi.
Indien men dus
echt nauwkeurig te werk wil gaan dan moet in plaats van 95 ohm juist
104 ohm ( Zk aanpassing = 73.5 ohm ) of zelfs 108 ohm
( Zk aanpassing = 75 ohm ) coax worden aangewend voor de fase leiding.
Bij gebruik van RG 133/U levert de misaanpassing in het ontstane stootpunt
een SWR verhouding op van 104 / 95 = 1:1.09 ( 108 / 95 = 1:1.14 ).
Een coax met een karakteristieke impedantie van 104 ohm of zelfs 108
ohm is overigens niet verkrijgbaar en ook niet perse noodzakelijk.
Zou je eventueel RG 63/U ( 125 ohm ) toepassen dan is de SWR verhouding
in het ontstane stootpunt nog net iets hoger. Let ook op de verkortingsfactor
die nu 0.85 bedraagt.
Opmerking : er
zijn ook RG 59 typen met een Zk van 72 ohm ..... wat dus in bovenstaande
wel van pas zou komen hi. De karakteristieke impedantie van de fase
leiding zou nu ( uitgaande van een 52 ohm antenne voetpunt impedantie
) 100 ohm moeten zijn, de SWR verhouding in het ontstane stootpunt
is dan slechts 100 / 95 = 1:1.05 .....
Wil je zeer nauwkeurig
te werk gaan dan kan dit vrij gemakkelijk gerealiseerd worden. Gewoon
een 1/4 lambda ( metalen ) pijp met binnengeleider en aan de uiteinden
twee N chassis delen inelkaar solderen.
Je kan de impedantie
erg precies bepalen door middel van een eenvoudige formule : Zk =
138 log D / d ( het dielektricum is lucht ).
Zie ook het extra
schrijven met enige tips en foto's over hoe zo'n pijp te berekenen
en te construeren ( fase pijp ).
Vanwege het gebruik
van een fase pijp is er ook wat meer vrijheid ontstaan in de keuze
van de noodzakelijke impedanties.
In mijn geval
had ik voor de 146 MHz sat band nog twee Hy-Gain antennes liggen met
een impedantie van 200 ohm elk ( swr 1:1.1 tussen 145.825 en 145.975
MHz : de antennes waren getuned door middel van het op maat brengen
van de dipooltjes ).
De genoemde SWR verhoudingen bestaan indien de antennes zijn voorzien
van een balun ( gemaakt van 52 ohm coax ).
Je kan trouwens
een of meerdere relais bij de nu ontstane antenne combinatie monteren
en dan RHCP of LHCP schakelen en zelfs HOR of VERT ..... ( als je
geen 45 graden mount toepast, zie ook verder : SKEWED orientatie ).
In mijn geval
had ik voor deze antennes meestal alleen RHCP nodig, wilde tevens
al een en ander voorbereid hebben voor een relais aansluiting en soldeerde
dus alles in elkaar volgens de beschreven configuratie ( inclusief
twee N chassis delen ), resultaat perfecte werking.
Dus : twee 1/4
lambda ( of oneven veelvouden ) delen naar de respectievelijke antennes
en aan de andere kant een 1/4 lambda deel ( faseleiding ) ertussen,
de voedingskabel aangesloten aan DAT aankoppelpunt ( tussen aanpas
en fase deel ) waardoor er sprake kan zijn van RHCP ( er zijn dus
twee aankoppelpunten, zonder relais kan je nu toch gemakkelijk ompluggen
met behulp van connectors ).
Er is nog een
andere methode als je uitsluitend RHCP wil toepassen, de tip komt
van Hugo ON6HN, in plaats van het gebruik van 95 ohm coax ( of een
te solderen pijp ) is het dan beter, gemakkelijker om de fase leiding
( nu gewoon met een karakteristieke impedantie van 52 ohm ) DIRECT
met een van de twee dipooltjes ( beiden hier dus uitgevoerd met 52
ohm aansluitingen ) te verbinden, aan de andere kant ervan EN aan
het andere dipooltje komen nu de twee 75 ohm impedantie transformatoren
: 1/4 lambda coax ( denk ook aan de verkortingsfactor ) of veelvouden.
Let op : deze veelvouden mogen uitsluitend ONEVEN zijn !
Immers, kiest
men een even veelvoud, dan bestaat de gewenste trafo werking in het
geheel niet meer, het tweede 1/4 lambda deel in de 1/2 lambda sectie
transformeert dan weer exact terug. Zijn er meerdere veelvouden dan
zal steeds in ELK veelvoud opnieuw sprake zijn van dit terug transformeren
! Dus : ofwel 1/4 lambda toepassen ofwel bijvoorbeeld 3/4, 5/4, 7/4
lambda etcetera.
De SWR verhouding
in de stootpunten is nu bijna ideaal te noemen.
Ook nog waard
te vermelden dat je bij het gebruik van een lineaire antenne, of meerdere
gestackte antennes ( lineaire combinatie ), een winst boekt van circa
3 dB ten opzichte van een circulair systeem ( indien er dan wel sprake
is van een zogenaamde type 1 link bij gebruik van de lineaire antenne
of combinatie : zie satelliet handboek ).
Het stacken opzichzelf
levert overigens bij elke verdubbeling van het aantal antennes een
winst op van 3 dB ( lineaire combinatie ).
Echter met circulair
gepolariseerde antennes moet je bij een lineair gepolariseerd signaal
ALTIJD ten opzichte van de hierboven beschreven situatie een verlies
van circa 3 dB in acht nemen.....Toch zijn er vele situaties waarin
circulaire polarisatie absoluut de voorkeur verdient ( zie verder
onder polarisatie verschillen ).
Ook voor de 436
MHz sat band werden twee gekoppelde lineaire antennes toegepast. Daar
het nu antenne voetpunt impedanties van 50 ohm betrof, werd ook hier
gekozen voor 75 ohm aanpas delen, later werd hiervoor 73 ohm coax
kabel gebruikt in combinatie met een fase pijp.
Voor berekeningen zie aldaar.
Tot slot 1 : houd
het aantal veelvouden zo BEPERKT mogelijk ( omdat de SWR bandbreedte
anders nogal kan afnemen ..... ). Natuurlijk is men vrij in de keuze
ervan indien er GEEN sprake is van impedantie transformatie .....
Bij normaal gebruikelijke montage zal alles goed functioneren.
Het probleem van
het gebruik van een ( te ) groot aantal veelvouden dient men niet
te onderschatten ! Een van de antenne boeken ( ARRL ) geeft een maximum
aan van zeven 1/4 lambda delen ..... het betreft een 31 3/8 inch
435 MHz coax transformator in een skewed design. Uitgegaan wordt van
een verkortingsfactor van 0.66 voor de toegepaste coax.
Ook voor de fase leidingen wordt er in het voorbeeld een maximum gegeven,
namelijk vijf 1/4 lambda delen, wat 450 graden fase verschuiving oplevert
.
Tot slot 2 : de
2M antennes waren oorspronkelijk al uitgerust met een balun waardoor
de impedanties in de aansluitpunten op circa 52 ohm uitkwamen, ze
waren gestackt ( boven elkaar ) en het resultaat 90 graden gekanteld
waardoor verticale polarisatie ontstond. De
verkregen afstraling was zeer typisch indien de ontstane antenne
combinatie op een bepaalde hoogte boven de grond, de vloer werd geplaatst
( dit in verband met experimenteel onderzoek naar sat spin en dergelijke
). Er liepen twee 75 ohm fase leidingen naar het voedingspunt dat
hier circa 54 ohm bedroeg vanwege de antenne voetpunt impedanties
van 52 ohm, deze waarden betreffen uiteraard getransformeerde impedanties
( balun toepassingen ).
Interessant is
nog dat de WERKELIJKE antenne voetpunt impedanties dus eigenlijk 4
maal 52 ohm is 208 ohm zouden moeten zijn zonder balun.
De factory, deliverer zal het afgerond hebben ofwel betreft het respectievelijk
exacte 50 ohm ( antenne aansluitpunten via balun ) en 200 ohm antenne
impedanties voor die situaties.
MECHANISCH
: KEUZE IN DE MANIER VAN MONTEREN
Bij het mechanisch
koppelen van de antennes zijn er enkele belangrijke regels.
Op de eerste plaats
moet een en ander zodanig gemonteerd worden dat een perfecte evenwichts
toestand existeert ( rotoren ! ). Ongeacht de stand van de elevatie
rotor moet er steeds van een volledig mechanisch evenwicht sprake
zijn ! Zowel in het horizontale als ook in het verticale vlak dus.
Bovendien moeten de antennes op een bepaalde manier ten opzichte van
elkaar gemonteerd worden, zie verder. De invloeden van wind moeten
zo klein als mogelijk zijn : soms is de manier van plaatsen mede van
belang.
In mijn geval moesten er twee 2M antennes maar ook nog eens twee 70
CM antennes bevestigd worden. Hierbij zijn de posities van de GEKOPPELDE
antennes ten opzichte van elkaar van groot belang. Voor andere antennes
is het minder kritisch ( niet gekoppelde antennes ).
De te koppelen
antennes worden onder een hoek van 90 graden ten opzichte van elkaar
gemonteerd : de verlengden van de elementen ( denkbeeldige lijnen )
van de antennes maken dus een hoek van 90 graden ten opzichte van
elkaar. De geadviseerde onderlinge afstand tussen de antenne dragers
bedraagt EEN ( 1 ) lambda.
De toe te passen
fysieke offset *1/4 lambda voor
beide antennes is niet noodzakelijk in verband met het feit dat er
een fase leiding toegepast wordt, wel is het nu belangrijk dat de
impedantie Zk daarvan zoveel mogelijk overeenkomt met de berekende
waarde daar er anders te veel verlies van het circulaire effect op
zal gaan treden, houd de eventueel toegepaste veelvouden in aantal
zo beperkt mogelijk !
De 70 CM antennes
kunnen tussen de 2M antennes geplaatst worden ! De 2M antennes zijn
dus aan de buitenkant van het systeem geplaatst.
De vorm van circulaire
polarisatie nu verkregen werkt erg goed en doet niet onder voor een
kruisyagi indien alles goed is aangesloten EN de squint hoeken gunstig
zijn ( interferometer effecten ! ). Met andere woorden, met de juiste
antenna pointings functioneert het systeem goed, in andere gevallen
heeft de kruisyagi ( single boom systeem ) de voorkeur. Bovendien
is er nu ongeacht de positie van de antennes sprake van een perfect
mechanisch evenwicht ( rotoren ) !
*
voor als het eens actueel mocht zijn ( kruisyagi ) : fysieke offset
in mm ( invoervak midden ) en de faseverschuiving in graden ( uitvoervak
), het eerste invoervak betreft de werkfrequentie in MHz en het laatste
de verkortingsfactor. Natuurlijk kun je dit JS ook gebruiken voor
berekening van de faseverschuiving van een coax lengte .. Vergeet dan
vooral niet de verkortingsfactor in te vullen !
CIRCULAIRE
POLARISATIE : RHCP OF LHCP
RHCP of LHCP :
uiteraard afhankelijk van de satelliet die men wil werken. Overigens
is het hier erg simpel om de draairichting te bepalen : kijk vanaf
de reflector zijde van de antennes welke antenne via de fase leiding
gevoed wordt, is dit de rechtse antenne : RHCP, is het juist de linkse
antenne : LHCP ! Makkelijk nietwaar ? Zie ook tekening 1 en 2 ( antenne
koppeling1 en 2 ). Je kan ze vinden via het sub menu.
Ik heb ook enige
( meer algemene ) tekeningen gemaakt als hulpmiddel om steeds gemakkelijk
de richting te kunnen bepalen, ( zie sub menu : tekeningen ). Lees
ook de bijgevoegde tekst van de betreffende plaatjes.
Kijk eerst bij
welke antenne het 0 graden punt ligt, kijk dan bij welke antenne het
90 graden punt ligt.
Het 0 graden punt
vind je bij DIE antenne waar de voeding DIRECT is. Het 90 graden punt
vind je bij de andere antenne die gevoed wordt via de FASELEIDING.
Als nu dit 90 graden punt rechts van het 0 graden punt ligt, gezien
vanaf de achterzijde van de antenne combinatie, is er sprake van RHCP.
Het moge duidelijk
zijn dat de genoemde 0 en 90 graden punten een aansluiting
( dipoolhelft ) van de bedoelde antenne betreffen .. zie de tekeningen
( rode en groene aansluitingen ).
Bij een kruisyagi
hoef je maar te kijken waar de coax kernen worden aangesloten. Je
ziet ook meteen dat een antenne die in de afstraal richting RHCP oplevert,
in de tegenovergestelde richting LHCP signalen produceert. Met betrekking
tot het reilen en zeilen van de AO-40 in het verleden ( 2001, 2002
) is dit nogal een actueel onderwerp geweest ..... ( onder meer ook
ten aanzien van het kiezen voor de juiste polarisatie richting van
de toegepaste belichter in een schotel antenne : RHCP in de hierboven
bedoelde situatie ).
Jammer genoeg
komt het maar al te vaak voor dat het RHCP 'overgaat' in LHCP of LIN
.....
Als je beide vormen
van circulaire polarisatie wil toepassen denk ik dat je met voordeel
een coax relais boven bij de antennes plaatst, dat geeft je de mogelijkheid
om met slechts een coax van, naar de shack te werken.
Er is dan slechts een twee standen relais nodig. Voor niet te veel
geld zijn er goed functionerende relais ( en bedrijfszeker bovendien
) verkrijgbaar. De lengten van de coax ( 52 ohm ) leidingen afkomstig
van het relais gaande naar de knooppunten van de aanpas delen ( indien
nodig ) en de fase leiding zijn niet kritisch ( in de meeste gevallen
toch ..... ).
Voor eventuele
experimenten en metingen adviseer ik echter met nadruk het gebruik
van 1/2 lambda lengten ! Je weet nooit waar dat goed voor is .....
hi. Ook kan men het het relais rechtstreeks ( dus zonder 52 ohm coax
leidingen ) aansluiten op de betreffende knooppunten indien dat beter
uitkomt.
BESLUIT
In bovenstaande
heb ik uitsluitend tot uitdrukking willen brengen hoe simpel het is
om met behulp van een beetje rekenen en enige kennis van transmissie
systemen iets op te bouwen, zaken die men anders gewoon zou laten
liggen.
Ongetwijfeld zal een en ander ook wel enige geld besparing opleveren
.....
Wat echter het meest belangrijk is : de mogelijkheid benutten tot
het opbouwen van een goed werkend systeem uit bijvoorbeeld gelagerde
componenten.
GERAADPLEEGDE
LITERATUUR
ROTHAMMEL
druk 7
ARRL ANTENNE BOEK druk onbekend, uitgave rond 1980
SATELLIET HANDBOEK ARRL druk 1 ( 0-87259-658-3 )
NASCHRIFT
MONTAGE ANTENNES
Men kan uitgaan
van een zijdelingse afstand van EEN ( 1 ) lambda tussen de twee antenne
elementen dragers, antenna booms. Los van het feit dat er een bepaalde
afstand ( FREE SPACE distance ) tussen de beide antennes dient te
bestaan moet men uiteraard ook goed opletten dat er voldoende tussenruimte
is, dit zal zeker het geval zijn voor de beschreven afstand, indien
niet, dant dient men een andere afstand te kiezen, bijvoorbeeld TWEE
( 2 ) lambda, wat theoretisch al minder goed is ( L2 - L1 = +/- d
sin alpha : formule met betrekking tot : the polarization interferometer
effects ..... ). In de formule is d de free space distance ( in lambda
) tussen de antenne dragers ( D in de tekening ).
Free space afstanden
van een halve ( 0.5 ) lambda zou ik niet toepassen, is er iemand die
dat wel heeft gedaan ? Ik heb er enige proeven mee uitgevoerd, deze
waren weinig succesvol .....
Hoe dan ook :
er moet sowieso nog een ruimte existeren tussen de uiteinden van de
antenne elementen in verband met het feit dat deze anders in contact
met de mast zouden kunnen komen bij het eleveren .....
Bovendien zijn er tussen de 2M antennes nog de 70 CM antennes geplaatst.
In verband met
vragen over de constructie hierbij nog enige info.
De beschreven
antennes ( de onderlinge hoek is dus 90 graden ) zijn met een hoek
van 45 graden gemonteerd ( de zogenaamde SKEWED orientatie ) ten opzichte
van de fiberglas pijp ( mag ook pvc zijn als de constructie dit toelaat
).
De skewed configuratie kan eventueel bepaalde problemen voorkomen
indien de antennes laag bij de grond, de bodem komen ( met eleveren
) waardoor bepaalde vervormingen ( waaronder afwijkingen in de polarisatie
etcetera ) in iets mindere mate kunnen optreden .....
In verband met
het gewenste evenwicht zijn de antenne combinaties ten
opzichte van elkaar 'om en om' gemonteerd op de glasfiber pijp. Eventueel
kan men afstands delen toepassen ( indien noodzakelijk ).
De fiberglas pijp
heeft een lengte van circa 2 meter 25 en wordt door de elevatie rotor
aangedreven ( axiaal ).
De 2M antennes zijn zodanig gemonteerd dat de onderlinge afstand circa
2 meter 06 bedraagt ( 1 lambda FREE SPACE ).
Tot slot : past
men om een of andere reden deze antenne combinatie toe zonder gebruik
te maken van een fase leiding dan dient men een zogeheten fysieke
offset van 1/4 lambda toe te passen, dit houdt in dat in de lengte
richting ( boom richting ) de beide antennes voor de genoemde waarde
verschoven zijn ten opzichte van elkaar, dus ideaal toepasbaar bij
kruisyagi's.
Met betrekking
tot het fenomeen INTERFEROMETER effecten optredend bij de iets grotere
squint hoeken ( hier van belang in verband met het toegepaste CROSS
BOOM systeem ) verwijs ik naar het satelliet handboek ( ARRL ) .....
Echter bij een
goede antenna pointing heeft men er minder of geen last van, realiseer
je bovendien dat deze effecten ook aan de satelliet zijde kunnen optreden
of worden veroorzaakt ( soms zelfs nogal vaak ..... ).
Bij de kruisyagi
tenslotte, dus een antenne met een SINGLE ( CONCENTRIC ) BOOM configuratie,
zal de fysieke 1/4 lambda offset toch de voorkeur genieten. Vaak treft
men hier trouwens een offset aan die niet
overeenkomt met een 90 graden faseverschil .. In zo'n geval wordt
met een apart coaxkabeltje gecompenseerd. Zie bijvoorbeeld dit
JS ( 'Similar Coax Length' ).