Antena Turnstile UHF do obserwacji satelitarnych

Wstęp

Od dawna fascynował mnie kosmos, a zwłaszcza to co w nim się znalazło dzięki ludzkiej wiedzy i pracy. Po osiągnięciu istotnych kamieni milowych dla ludzkości jak: lądowanie człowieka na Księżycu, czy budowa Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), człowiek zaczął badać, komercjalizować i wykorzystywać kosmos na szerszą skalę. Okazuje się, że w bliskiej przestrzeni kosmicznej całkiem sporo się dzieje. Rozwój technologii spowodował, że ludzie zaczęli wysyłać na niską orbitę okołoziemską różnego typu satelity dokonujące pomiarów i świadczące dedykowane usługi, co zaowocowało tym, że mamy nad sobą całkiem gęstą siatkę przemieszczających się statków kosmicznych, komunikujących się z Ziemią przy pomocy fal radiowych przesyłając użyteczne dane i telemetrię.

Nie wszystkie dostępne dane są dekodowalne, jednak w sporej liczbie przypadków są to dane otwarte. Podróżujące informacje transmitowane są różnymi emisjami z różnymi mocami i pochodzą z różnych anten. Jest więc czym się zachwycić – zwłaszcza, że praktycznie każdy może samodzielnie “posłuchać” tego jak mówią do nas satelity…

W trakcie poszukiwań informacji z zakresu komunikacji z satelitami natknąłem się na projekt SatNOGS mający na celu stworzenie globalnej sieci naziemnych stacji odbiorczych umożliwiającej śledzenie czynnych satelitów z największą możliwą dostępnością. Możliwe to będzie wówczas, gdy międzynarodowa społeczność zasponsoruje budowę dużej ilości stacji odbiorczych rozsianych po całym globie. SatNOGS dostarcza rozwiązanie gromadzenia i przetwarzania danych, jednak by ta sieć działała trzeba do niej dostarczyć rzeczone dane. I tu zaczyna się przygoda z tytułową anteną, do budowy której inspirację zaczerpnąłem ze strony projektu z sekcji opisującej propozycje typów anten możliwych do wykonania samodzielnie.

Istnieją dwa sposoby na odbiór sygnałów docierających ze statków kosmicznych: przy pomocy anten nieruchomych, których charakterystyka powinna być taka by antena widziała to co dzieje się ponad nią w szerokim zakresie kątowym (co okupione jest niską czułością takich rozwiązań), oraz przy pomocy kierunkowych anten o wąskim kącie widzenia, lecz dużym zysku energetycznym (np. Yagi-Uda) wspomaganych instalacją mechaniczną pozwalającą na śledzenie obserwowanego obiektu w czasie jego wędrówki po nieboskłonie.

Ze względu na ułatwienie sobie wejścia w temat obserwacji satelitarnej postanowiłem zmierzyć się z budową prostszego wariantu – czyli anteny stałej. Po analizie materiałów dostępnych w literaturze i Internecie zdecydowałem się na budowę anteny typu Turnstile, która swą nazwę zawdzięcza sposobie jej wykonania. Antena wygląda bowiem jak… bramka-kołowrotek, jakie widuje się w różnych miejscach o ograniczonym dostępie. Spośród dwóch wersji tej anteny wybrałem wersję z polaryzacją kołową – dedykowaną do obserwacji satelitarnych.

Antena składa się z części aktywnej złożonej z dwóch dipoli półfalowych zasilanych kwadraturowo (przesunięcie fazowe sygnału pomiędzy nimi o 90[o]), oraz części pasywnej montowanej poniżej w osi anteny w odległości 1/4 lambda od radiatorów. Część aktywna połączona jest elektrycznie tak, by antena była czuła na sygnał rotujący w prawą stronę. Część pasywna to nie stykające się ze sobą reflektory półfalowe ustawione względem siebie prostopadle. Dzięki takiej konstrukcji otrzymujemy antenę kierunkową o szerokim kącie widzenia w górę, pracującą z kołową polaryzacją sygnału – umożliwiającą odbiór informacji z przemieszczających się i rotujących satelitów.

Zważając na rozmiary konstrukcji zdecydowałem się na budowę wersji UHF gdzie odbierane sygnały zawierają się w przedziale częstotliwości: 435-438[MHz]. Postanowiłem celować w częstotliwość środkową 436.50 [MHz] i zobaczyć co uda mi się osiągnąć.

Budowa

Po analizie materiałów i przygotowaniu pliku Excell, gdzie wykonywałem obliczenia długości elementów konstrukcji, wybrałem się na zakupy. Zależało mi na tym, by promienniki części aktywnej były o średnicy 2,5-3,5[mm] in nie były aluminiowe ponieważ nie da się tego ani sensownie lutować, ani łączyć mechanicznie z przewodami miedzianymi (w sensie bardzo amatorskim). W sklepie znalazłem rurki mosiężne o średnicy 3[mm] i postanowiłem je zakupić. Na reflektory zaplanowałem rurki aluminiowe o średnicy 4[mm] – nie są elektrycznie podłączane do okablowania więc ta opcja wydała się rozsądna budżetowo. Do tego rury PP (fi 32[mm], dł. 30 i 100[cm]), garść dodatkowych elementów i powrót do domowego warsztatu.

Na pierwszy ogień poszła rurka mosiężna, którą przyciąłem na cztery odcinki po 16,3[cm]. Przy tej długości promienników i zakładanym współczynniku skrócenia fali Vf = 0.95 miałem wstrzelić się w okolicę rezonansu dipola przy częstotliwości 436.5[MHz].

Niestety nie dotarłem do źródła publikującego współczynnik skrócenia dla mosiądzu więc założyłem bezpiecznie, że pójdę w wartość przeznaczoną dla miedzi, ponieważ mosiądz zawiera jej procentowo dość dużo. Plan zakładał późniejszy pomiar gotowego dipola i ew. docięcie promienników do wymaganej długości.

Po przeglądnięciu zasobów warsztatowych odkryłem, czekającą na swoje pięć minut, szczelną puszkę instalacyjną (80x80x60[mm]), którą postanowiłem przeznaczyć na aktywną część anteny – głownie ze względu na to, że ustabilizowanie promienników, oraz możliwość ich elektrycznego połączenia jest w takiej puszce łatwiejsza niż w rurze (mającej stanowić szkielet anteny) o stosunkowo małym przekroju. Związane to jest oczywiście z dostępną przestrzenią i łatwością dostępu do niej.

W wieczku puszki wykonałem centralny otwór o średnicy 10[mm], przez który do jej wnętrza przeprowadzona będzie linia zasilająca. Puszka będzie mocowana “do góry nogami” ze względu na późniejsze specyficzne wykorzystanie jej głębokości, ale o tym w dalszej części.

Następnie w ściankach bocznych wieczka wykonałem centralnie po jednym otworze o średnicy 3[mm] przez które do wnętrza dostaną się końce najważniejszej części anteny – promienników.

Następnie przyszedł czas na przygotowanie mocowania dla promienników wewnątrz puszki. Do tego celu wykorzystałem kostkę elektryczną pozwalającą na skręcanie drutów o średnicach do 4[mm].

To najlepszy pomysł na jaki wpadłem podczas zakupów, na które nie przeznaczałem zbyt dużo czasu. Zależało mi na tym, by nie łączyć z miedzią aluminium więc połączenie kostka + mosiądz wydawało się być OK.

Wstępna przymiarka pokazała, że należy trochę rozwiercić otwory w wieczku by swobodnie przetykać promienniki przezeń i kostkę. Dodam tu, iż przy oznaczaniu miejsca wiercenia otworów w ściankach wieczka uwzględniałem fakt późniejszej instalacji segmentów kostek by nie okazało się, że mimo możliwości wprowadzenia rurki mosiężnej nie udałoby się jej włożyć do kostki. Wykonanie potrzebnych pomiarów byłoby dość trudne bez użycia suwmiarki.

Ostateczne mocowanie czterech segmentów śrubowych do wieczka puszki instalacyjnej zostało wykonane przy pomocy kleju na gorąco. Ten szybki i tani sposób umożliwił solidne ustabilizowanie mechanizmu połączeniowego.

Po zainstalowaniu promienników dipoli pojawił się problem związany z nie przemyślanym miejscem wklejenia segmentów kostki elektrycznej. Otóż, aby podłączyć kabel koaksjalny w celu wykonania pomiaru parametrów dipola musiałem przedłużyć jego promienniki odcinkami drutu miedzianego. Gdyby śrubunki wklejone zostały bliżej środka wieczka bez problemu wkręciłbym kabel sygnałowy bezpośrednio do nich, a tak prawdopodobnie dodałem właśnie nadmiarowe odcinki promiennika…

Pomiar impedancji zespolonej i SWR, wykonanej świeżo skalibrowanym NanoVNA, oraz kablem EK-H155 o długości około 10[cm] (celem uniknięcia okolicy ćwiartki długości fali) ujawnił, że przy planowanej częstotliwości pracy anteny raczej nie ma co myśleć o zadowalającej efektywności. SWR na poziomie 2 to coś co powinno się dać łatwo poprawić w przypadku dipola…

Szerszy pomiar ujawnił, że antena jest po prostu za długa i minimum SWR wypada dużo poniżej zakładanej częstotliwości pracy anteny, bo przy 369[MHz].

Sytuacja taka jest potwierdzeniem, iż dodanie odcinków drutu miedzianego ułatwiającego montaż feedera miało wpływ na efektywną długość elementów anteny. Jednocześnie zacząłem zastanawiać się nad poprawnością założonej wartości współczynnika skrócenia dla mosiądzu oraz nad tym w jaki sposób zasilam budowaną antenę.

Po przeanalizowaniu wykresów i dokonaniu pomiarów rzeczywistych rozmiarów elementów anteny doszedłem do następujących wniosków:

  • zasilanie anteny kończy się, a promienniki zaczynają w miejscu, gdzie oplot kabla koncentrycznego oddzielony jest od izolacji żyły środkowej,
  • długość promienników należy liczyć, w przypadku tej konkretnej konstrukcji, od środka wieczka, nie zaś od miejsca skręcenia rurek mosiężnych w kostce,
  • przy promienniku przyciętym na 16.3[cm] całkowita długość od środka wieczka do krańca promiennika wyniosła 18.5[cm] co daje dodatkową powierzchnię promieniującą o długości 22[mm] na ramię dipola.

Postanowiłem przeliczyć otrzymane dane by uzyskać poprawiony współczynnik skrócenia fali, dzięki któremu miałem wyliczyć nową długość promienników.

    \begin{equation*}\frac{\lambda_E}{4} = 18.5cm => \lambda_E = 74cm\end{equation*}\begin{equation*}\lambda_E = \frac{c}{f}*V_f => V_f = \frac{\lambda_E * f}{c}\end{equation*}\begin{equation*}V_f = \frac{0.74m * 369MHz}{300M \frac{m}{s}} = 0.91\end{equation*}

Zgodnie z obliczeniami poprawiony współczynnik skrócenia wynosił teraz 0.91 co stanowiło podstawę do ponownego przeliczenia długości ramion dipoli.

    \begin{equation*}\lambda_E = \frac{300M \frac{m}{s}}{436.5MHz}*0.91 = 0.625m\end{equation*}\begin{equation*}\frac{\lambda_E}{4} = 15.6cm\end{equation*}

Dla zadanej częstotliwości długość fizyczna ramienia dipola powinna wynosić 15.6[cm], co daje długość promiennika mosiężnego 13.4[mm]. Różnica w stosunku do długości pierwotnej to około 3[cm] i o tyle skróciłem każdą z rurek.

Powtórzony pomiar impedancji i SWR pokazał, że teraz jestem w miejscu, w których chciałem być na samym początku.

Niestety miejsce pomiaru (na wyciągniętej ręce w domu) nie odwzorowywało dokładnie miejsca, w którym antena miała ostatecznie pracować, zaś mnie gonił czas związany z jej budową. Założyłem – patrząc na przebieg SWR, oraz opierając się o teorię, iż dipol w wolnej przestrzeni ma około 72[Ohm] – że okolice 70[Ohm] to prawdopodobna wartość rezystancji prezentowanej przez każdy z dipoli w miejscu instalacji (na zewnątrz budynku na wysokości 2,5-3.5 lambda nad ziemią).

Ale zaraz – przecież te dipole będą podłączone równolegle. Z przesunięciem fazowym, ale nadal równolegle. Oznacza to, że efektywna impedancja widziana od strony ich zasilania to połowa tej wartości… Szybki szacunek rozpiętości wartości dla pojedynczego dipola to 61-72[Ohm] co daje 30.5-36[Ohm] dla tandemu. I właśnie z czymś tego rzędu przyjdzie się zmagać linii zasilającej podłączonej do anteny. Oczywiście wartość chwilowa zależeć będzie od wielu zmiennych jak wysokość na gruntem, jego typ, wilgotność czy bliskość elementów przewodzących więc nie ma co bawić się w aptekarza (przy tych stosunkowo dużych długościach fali) i przyjąć, że będzie to coś w okolicy 30-paru[Ohm].

Mając na uwadze, iż obwody wejściowe odbiornika oczekują dopasowania toru radiowego do standardowej wartości 50[Ohm] przeszedłem do etapu wykonania obwodu dopasowującego. Jako, że nieciągłości impedancji to główny powód odbić sygnału i strat wywołanych falą stojącą w kablu koncentrycznym różnicę pomiędzy pożądaną wartością 50[Ohm], a 30-kilkoma[Ohm] należało zniwelować.

Źródła opisujące budowę anteny Turnstile, które poznałem dotychczas, wskazywały na wykonanie transformatora impedancji w oparciu o odcinek kabla koncentrycznego o długości 1/4 lambda. Odcinek o tej charakterystycznej długości elektrycznej ma takie właściwości, że transformuje impedancję pomiędzy obiema swoimi stronami z zależnością:

    \begin{equation*}Z_{in} = \frac{Z_0^2}{Z_{out}} => Z_0 = \sqrt{Z_{in}*Z_{out}}\end{equation*}

co w przypadku dopasowywania 50[Ohm] do powiedzmy 36[Ohm] wymagałoby zastosowania kabla koncentrycznego o impedancji charakterystycznej 42[Ohm].

Zamiast wykorzystywać dodatkowy odcinek kabla o nietypowej impedancji postanowiłem spróbować czegoś innego. Mianowicie transformator 1/12 lambda. Ma on tę zaletę, że wykonuje się go z dwóch odcinków okablowania prezentującego impedancje, które chce się dopasować. Oba odcinki muszą być docięte na długość około 1/12 lambda (korekta zależy od tego jak oddalone wartości chcemy transformować -> kalkulator). Z odcinkiem 50[Ohm] nie ma problemu, zaś uzyskanie 30-paru [Ohm] jest możliwe, przez równoległe podłączenie odcinków kabla RG59 o impedancji charakterystycznej 75[Ohm]. Daje to element 37,5[Ohm]. Wynik “dość dobrze” zbliżony do tego czego potrzeba zatem może być!

Starałem się w miarę precyzyjnie docinać obliczone długości każdego z kabli i liczyłem ich długość między środkami przerw pomiędzy zdjętym oplotem, a zakończeniem izolacji żyły środkowej.

Dla transformatora na 436.5[MHz] przygotowałem kable o następujących długościach fizycznych:

  • 1 odcinek 50[Ohm] kabla EK-H155 (FP) o długości 4.56[cm] (Vf = 0.81),
  • 2 odcinki 75[Ohm] kabla RG59 (PE) o długości 3.72[cm] (Vf = 0.66).

Następnie kable połączyłem razem i otrzymałem potrzebny mi transformator 1/12 lambda.

Kolejnym etapem było przygotowanie odcinka linii opóźniającej o 90[o] sygnał pomiędzy dipolami – co przekłada się na długość fazową 1/4 lambda. Jako, że pojedynczy dipol przedstawia sobą impedancję w okolicach 70[Ohm] sygnał opóźniany potrzebował wędrować czymś “w miarę” dopasowanym. Pod ręką był kabel RG59. Odcinek o długości 11.34[cm] został przygotowany i nastąpiło połączenia transformatora impedancji oraz linii opóźniającej wewnątrz puszki.

Należy zaznaczyć iż istotnym było zapewnienie poprawnej kolejności podłączenia dipoli, aby uzyskać polaryzację prawoskrętną – bardziej popularną przy komunikacji z satelitami. Zasada podłączenia jest taka, że patrząc od góry anteny środkowy przewód linii opóźniającej powinien być dołączony do ramienia dipola sąsiadującego z ramieniem tego zasilanego ze środkowego przewodu linii zasilającej antenę w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (na lewo). Taki układ powoduje, że w kierunku od anteny w górę wektor elektryczny będzie rotował w prawą stronę -> wiki.

Jako, że linia opóźniająca wyszła dość długa dolna część puszki znakomicie uratowała sytuację pozwalając na bezproblemowe zmieszczenie w niej dość sztywnego, wygiętego i nie dającego się układać kabla.

Po skręceniu puszki budowa części aktywnej anteny dobiegła końca.

Dalszym etapem było umożliwienie zamocowania puszki z promiennikami do rury stanowiącej szkielet anteny. Do tego celu wykorzystałem korek zatykający. Przewierciłem go tak, by pozwolił przecisnąć elementy transformatora impedancji i przykleiłem go centralnie do puszki klejem na gorąco (uszczelniając przy tym połączenie). Miejsce klejenia na puszce uprzednio zmatowałem (wiele skrzyżowanych nacięć plastiku nożem tapicerskim).

Aby antena posiadała charakterystykę pozwalającą jej patrzeć głównie w niebo należy dodać poniżej reflektory w odległości 1/4 lambda od elementów zasilanych. Reflektory, jako elementy pasywne, wykonane zostały z rurek aluminiowych o średnicy 4[mm] w postaci ciągłych odcinków o długości elektrycznej pół fali (32.3[cm]). Biorąc pod uwagę, iż elementy zasilane są dwa ułożone prostopadle to i reflektory muszą być zorientowane tak samo. I o ile w przypadku promienników części aktywnej mogły one być montowane w jednej płaszczyźnie, o tyle z reflektorami tak zrobić się już nie da. Jeśli mechanicznie byłoby to wykonalne to stanowiłoby elektrycznie zwarcie, a elementy te muszą pracować niezależnie.

Z obliczeń wyszło, że dystans promienników do reflektorów to 17.18[cm] więc narysowałem sobie na rurze linię w odpowiedniej odległości od środka promienników i wykonałem dwa prostopadłe odwierty na wylot o średnicy 4[mm]: jeden trochę powyżej, a drugi trochę poniżej linii. Biorąc pod uwagę ilość kompromisów jakie do tej pory przeszły przez projekt ten kolejny nie powinien zepsuć anteny do reszty, zwłaszcza, że to jest antena odbiorcza, a te rozwiązania wybaczają więcej. Przez przygotowane otwory przełożyłem rurki.

Przedostatnim etapem montażu mechanicznego było dołączenie kabla zasilającego (EK-H155) do wolnego końca transformatora impedancji i zabezpieczenie połączenia długim odcinkiem rurki termokurczliwej.

Na koniec należało przełożyć resztę feedera przez rurę z reflektorami umożliwiając szczelne zamknięcie całości. Owa szczelność pochodzi z systemu łączenia rur opierającego się na uszczelkach montowanych w kielichach zwieńczających każdą z rur które to ciasno oplatają połączenia wykonywane na wcisk. Efekt końcowy zaprezentowany jest poniżej.

Na koniec dokonałem pomiaru anteny, aby zorientować się czy konstrukcja ma szansę działać. Ku mojemu zdziwieniu dla częstotliwości 436.5[MHz] antena prezentowała rezystancję 72[Ohm] z reaktancją 7.77[nH] i SWR 1.66, a dołek SWR był usytuowany przy częstotliwości 433.9[MHz] z wynikiem 1.52.

Antena została podłączona do odbiornika RTL SDR v3 i komputerka Raspberry Pi 3B+ z zainstalowanym oprogramowaniem SatNOGS do akwizycji danych z satelitów i okazała się być skuteczna. Po dokręceniu wzmocnienia toru RF odbiornika w ciągu kilku dni wykonałem tą anteną wiele obserwacji, z których dało się dekodować wiadomości CW, cyfrowe dane telemetryczne oraz odsłuchiwać sygnały dźwiękowe transmitowane przez niektóre z nich (m.in. przez repeater amatorski zamontowany na ISS).

Podsumowując jestem zadowolony z tej konstrukcji, będącej wstępem do świata techniki satelitarnej i eksploracji kosmosu. Sama konstrukcja wymaga większej precyzji i usprawnień, lecz mimo to spisała się od pierwszego uruchomienia. Wiedza nabyta podczas jej wykonywania jest nieoceniona zaś radość z użytkowania anteny jest wystarczająca na tyle by rozglądać się za kolejnym ciekawym projektem 🙂

Mam nadzieję, że opis budowy zaprezentowanej tu anteny będzie pomocą i inspiracją dla czytelników interesujących się komunikacją ze statkami kosmicznymi…

Co należałoby zmienić

Poniżej wylistowuję zagadnienia, które należałoby wziąć pod uwagę projektując kolejną, udoskonaloną, wersję zaprezentowanej anteny i związanego z nią toru radiowego:

  • zamiast puszki instalacyjnej wydruk 3D mocowania promienników zakładanego na rurę z uwzględnieniem instalacji elementów umożliwiających podłączenie feedera/linii opóźniającej,
  • opracowanie sposobu na łagodniejsze zaginanie linii opóźniającej (jakiś karkas 3D?),
  • wydruk 3D uchwytów mocujących reflektory zakładanych na rurę niwelując potrzebę wiercenia w niej otworów,
  • uszczelnienie silikonem dekarskim elementów przekładanych przez wiercone otwory i zakończeń rurek,
  • dodanie złącza żeńskiego UHF/N u podstawy rury,
  • użycie dwóch takich anten odpowiednio sfazowanych by uzyskać większy zysk energetyczny (czy i jak wpłynie to na charakterystykę anteny?),
  • dodanie LNA pomiędzy anteną i odbiornikiem,
  • użycie dodatkowych filtrów FM/GSM/LTE/WiFi, gdy potrzeba, by nie przeciążać wejścia odbiornika i nie pogarszać jego dynamiki.

Miłego antenowania!

Składana i przenośna antena teleskopowa VHF/UHF na pasma 2m i 70cm (PoC)

Budując pierwszą ćwierćfalową antenę typu Ground Plane (GP) na pasma 2[m] i 70[cm] (opisaną tu) doświadczyłem efektu działania poprawnej ścieżki powrotu do masy dla sygnału RF. Okazało się, że nie ma mowy, aby standardowa antenka, dodawana do radiostacji ręcznych, miała tak dobre wyniki jak antena GP. Bierze się to przede wszystkim z faktu, iż charakterystyka promieniowania dla GP-aka jest równomierna i dookólna, oraz z faktu iż emitowany sygnał radiowy nie znajduje drogi do masy poprzez operatora, a dedykowane elementy zwane przeciwwagami symulujące podniesioną płaszczyznę ziemi.

Biorąc udział w cyklicznych próbach łączności Dolnośląskiej Amatorskiej Sieci Ratunkowej, na wyżej wymienionych pasmach, korzystam z instalacji mobilnej, lub przenośnej, gdzie przeprowadzam łączności przy pomocy anteny standardowej (dla radiostacji ręcznej), mobilnej z podstawą magnetyczną i Ground Plane (podłączanej do obu radiostacji). Praca w terenie wymaga zatem ode mnie częstego transportu anteny GP. Ponieważ przeciwwagi mojej pierwszej konstrukcji były wykonane z nie składanych rurek aluminiowych całość była słabo transportowalna. Podczas załadunku i wyładunku z samochodu stale trzeba uważać, aby nie uszkodzić odstających elementów nie mówiąc już o znalezieniu odpowiedniego miejsca we wnętrzu pojazdu.

Poznawszy ograniczenia dotychczasowego rozwiązania postanowiłem zbudować model przeznaczony do przewożenia, który na czas transportu miał zajmować mało miejsca, a swą konstrukcją nie narażać się na uszkodzenia. Tak właśnie powstał plan budowy nowej wersji anteny GP z elementów składanych, którymi okazały się być tanie teleskopowe anteny od radioodbiorników boadcastowych.

Oczywiście konstrukcja miała być weryfikacją koncepcji, zatem koszty starałem się trzymać jak najniżej. Najważniejszymi elementami są: promiennik i przeciwwagi, więc potrzebowałem zestawu anten dwóch rodzajów. Promiennik jako antena prosta rozciągająca się na przynajmniej 50 centymetrów (1/4 z 2[m]), zaś przeciwwagi jako anteny łamane przy podstawie (umożliwiając dzięki temu zmianę kąta ich pochylenia) o długości maksymalnej przynajmniej o 20% większej niż element główny. Zakupione teleskopy posiadały długości (po ich rozciągnięciu) odpowiednio: 60[cm] i 64[cm].

Budowa

Jako podstawę anteny wykorzystałem, tak popularne w środowisku radiowym, elementy instalacji wodno-kanalizacyjnych dostępne bez żadnych problemów w sklepach budowlano-remontowych. Ze względu na oczekiwaną małą średnicę korpusu wybrałem rurę PVC o średnicy zewnętrznej c.a. 31.5[mm] wraz z korkiem zamykającym dopasowanym do odcinka łącznikowego tej rury mającego średnicę zewnętrzną c.a. 37.5[mm]. W korku wykonany został otwór na przeprowadzenie anteny prostej będącej promiennikiem.

Korek do rury PVC z wywierconym otworem na promiennik.

Do podstawy promiennika, czyli w miejscu gdzie zwyczajowo mechanicznie stabilizowany jest ów element, przylutowałem przewód, który dostarcza sygnał radiowy do wypromieniowania wprost ze złącza wejściowego budowanej anteny.

Promiennik z przylutowanym przewodem zasilającym.

Po przeciśnięciu promiennika przez wykonany w korku otwór ustabilizowałem jego położenie i jednocześnie zakotwiłem go z wykorzystaniem odpowiedniej ilości kleju na gorąco wlewając go do wnętrza korka poruszając przy tym lekko antenę by dobrze uszczelnić połączenie.

Promiennik zamontowany w korku i ustabilizowany klejem na gorąco.

Po zastygnięciu kleju antena trzymała się pewnie i szczyt konstrukcji był zakończony.

Widok na wklejony promiennik od zewnętrznej strony korka.

Następnie zabrałem się za nawiercenie w korpusie czterech otworów, w których planowałem osadzić przeciwwagi. Dodatkowo na tym etapie budowy dociąłem rurę PVC na długość 76[mm] (licząc od strony łącznikowej gdzie wciskany jest korek), aby umożliwić późniejszy dostęp do jej wnętrza pistoletem z gorącym klejem.

Korpus anteny z nawierconymi otworami pod przeciwwagi.

Do końców przeciwwag także dolutowałem przewody (byle jakie – w końcu to konstrukcja testowa),

Przeciwwaga z dolutowanym przewodem zasilającym.

a następnie wkleiłem je do wcześniej przygotowanych otworów.

Stabilizacja przeciwwagi w korpusie przy użyciu kleju na gorąco.

Podczas montażu przeciwwag trudnością okazał się sam proces ich klejenia ze względu na ograniczony dostęp do elementów wewnątrz rury montażowej. Zadanie to było także czasochłonne ponieważ wymagało stabilizacji każdego elementu z osobna podczas tężenia kleju. Poniesiony wysiłek opłacił się jednak ponieważ po kilku chwilach nowo wytworzona część anteny stanęła na “własnych nogach”.

Wklejone przeciwwagi umożliwiają postawienie anteny “na nogi”.

Przed dalszym etapem montażu nastąpiło mechaniczne zespolenie dotychczas opracowywanych części, aby umożliwić wyprowadzenie wszystkich przewodów z jednej strony korpusu – od strony linii zasilającej. Korek zaślepiający został wciśnięty w uszczelkę rury PVC w standardowy sposób.

Korek z promiennikiem wciśnięty w korpus. Przewody zasilające dostępne z drugiej strony.

Następnie przystąpiłem do montażu złącza zasilającego. Wybrałem do tego celu panelowe złącze męskie N. Złącza te stosuję w konstrukcjach pracujących na zewnątrz głownie ze względu na pewność połączenia oraz jego szczelność zapewnioną przez długi i gęsty gwint. Oczywiście można wykorzystać dowolne inne złącze, lecz w moim przypadku wiązałoby się to z przygotowaniem nowych fiderów lub też użyciem beczek. Ostatniej opcji staram się unikać jak tylko mogę ponieważ nie ma sensu wtrącać do toru radiowego dodatkowego tłumienia, oraz niepotrzebnych zafalowań wartości charakterystycznej impedancji falowej (50[Ohm]).

Panelowe złącze N posiada cztery otwory montażowe idealnie pasujące do stabilizacji jego położenia na obwodzie korpusu budowanej anteny. Wykonałem odpowiednie przewierty w materiale PVC i połączyłem elementy drutem miedzianym poprzez jego skręcenie kombinerkami. Wykorzystałem drut zamiast opasek winylowych (trytów) świadomie, aby poza prostym i pewnym mocowaniem mechanicznym umożliwić późniejsze elektryczne połączenie przeciwwag do zewnętrznej części złącza.

Jeszcze przed drutowaniem przylutowałem do środkowego wyprowadzenia N-ki przewód od promiennika docięty na odpowiednią długość. Przewody od przeciwwag wyprowadziłem przez szczeliny na obwodzie rury celem docięcia na wymiar i przylutowania.

Mechaniczny montaż złącza zasilającego do korpusu anteny. Przewody przeciwwag wyciągnięte na zewnątrz.

Zwoje skręconego drutu zostały pobielone cyną i przycięte tak by dało się do nich przylutować przewody przeciwwag, których długość została odpowiednio dopasowana.

Elektryczne połączenie masy złącza zasilającego i przeciwwag.

Ostatnią czynnością konstrukcyjną było zabezpieczenie szczelin pomiędzy złączem zasilającym antenę, a korpusem z PVC, przez które wyprowadzone zostały przewody przeciwwag. Doskonałym materiałem do tego celu okazał się być ponownie klej na gorąco którego sporą ilością zalałem interesujące miejsca uszczelniając i izolując zarazem tą arcyciekawą cześć produktu.

Po przestygnięciu kleju antena była gotowa do testów, zaś jej rozłożona wersja zaprezentowana jest poniżej.

Finalna antena w wersji rozłożonej.

Wersja złożona (czyli esencja budowy) pozwalająca na łatwy i bezpieczny transport (oraz przechowywanie) pokazana jest poniżej.

Antena w wersji złożonej umożliwiającej łatwy transport i przechowywanie.

Testy

Niestety na obecną chwilę nie jestem w stanie podzielić się wynikami pomiarów zestrojonej anteny ponieważ wcięło mi pliki pomiarowe wykonane przy pomocy NanoVNA. Niemniej antena została wykorzystana do łączności próbnych z niską mocą w pasmach 2[m] i 70[cm] z dobrymi raportami. SWR dla obu pasm był poniżej 1.5:1.

Pracę anteny oceniałem przy wyniesieniu jej na wysokość około 2[m] nad poziom gruntu poprzez zaczepienie jej do szczytu teleskopowego statywu fotograficznego.

Podczas przeprowadzanych łączności (stacja przenośna do stacji bazowej) sprawdzałem “na ucho” różnicę pomiędzy składanym GP-akiem, a standardową anteną dostarczaną z przenośną radiostacją (Anytone 878). Prezentowana antena jest czulsza i lepiej promieniuje. Radio było w stanie usłyszeć korespondentów, na których było głuche przy antenie standardowej, zaś raporty RS były lepsze o przynajmniej +2S w obszarze siły sygnału (w zależności od korespondenta).

Nie porównywałem tej wersji anteny GP z wersją nie składaną.

Gdy przemierzę tą antenę jeszcze raz ta sekcja artykułu zostanie zaktualizowana.

Wnioski

Konstrukcję składanej anteny GP, którą wykonałem, (aby przekonać się czy jest możliwe zbudowanie małej i przenośnej anteny na pasma 2[m] i 70[cm]) uważam za udaną. Doświadczenie zdobyte przy pracy nad nią jest doskonałą bazą do dalszych udoskonaleń i pracy nad kolejnymi wersjami. Antena sprawdziła się podczas prób łączności w obu pasmach zachowując SWR na poziomie niższym niż 1.5:1. Wszak testowana była jedynie przy użyciu radia ręcznego dysponującego mocą nadajnika max. 7[W] całą konstrukcję oceniam pozytywnie.

Poniżej lista uwag do konstrukcji:

  • Mimo iż teleskopowe oraz łamane elementy umożliwiają znaczną redukcję wymiarów anteny, jej zestrojenie “w polu” wymaga czasu i narzędzia pomiarowego (metrówka, VNA). Można pokusić się o szablon ustawień dla każdego pasma, jednak należałoby sprawdzić, czy uzyskiwane wyniki są w miarę powtarzalne podczas korzystania z anteny w różnych miejscach (SWR, impedancja).
  • Być może zastosowanie odpowiednio lekkiego i poręcznego kątownika 45[o] (druk 3D) ułatwiłoby szybkie i poprawne pochylanie przeciwwag.
  • Ze względu na oddalenie przeciwwag i promiennika od powierzchni złącza połączenia kablowe należy ograniczyć do minimum. Należy rozważyć modyfikację konstrukcji pozwalającą na bezpośrednie połączenie elektryczne tych elementów ze złączem antenowym.
  • Obudowa wykonana w sposób jak pokazano wyżej utrudnia prace serwisowe, ze względu na obecność kleju oraz przewodów połączeniowych dociętych “na miarę”.

Mam nadzieję, że artykuł ten będzie inspiracją dla czytelników do eksperymentowania z konstruowaniem anten. Możliwość budowy i odkrycia samemu przewagi jaką daje antena GP nad standardową antenką radiostacji przenośnych daje dużo frajdy, a przecież o to właśnie chodzi w radioamatorstwie. Możliwość przeprowadzania badań w ekskluzywnie wydzielonej przestrzeni radiowej to przywilej, z którego warto korzystać będąc posiadaczem pozwolenia radiowego.

Miłego antenowania!

Moja pierwsza zewnętrzna antena VHF/UHF na pasma 2m i 70cm czyli klasyczna konstrukcja GP (ground plane)

Z chwilą otrzymania Pozwolenia Radiowego swoje pierwsze kroki w krótkofalarstwie zacząłem stawiać (prawdopodobnie jak większość młodych stażem radioamatorów) z wykorzystaniem taniego radiotelefonu ręcznego pracującego w pasmach amatorskich 2[m]/70[cm]. O ile łączności przeprowadzane były na dworze i realizowane przez przemiennik miałem szansę na QSO i ćwiczenie techniki operatorskiej. Niestety rozwiązanie takie zupełnie wykluczało mnie z możliwości pracy bezpośredniej z innymi stacjami w tak zwanym “direkcie”. Problemem okazała się być, poza niską mocą transceivera, standardowa wkręcana antena typu “bacik”: mało efektywna i o niskich parametrach. Za namową kolegów postanowiłem zbudować zewnętrzną “ćwierćfalówkę” z przeciwwagami czyli klasyczną antenę Ground Plane (GP), aby przekonać się czy i ile tracę korzystając z anteny standardowej.

W prasie krótkofalarskiej bardzo łatwo można odnaleźć projekt anteny GP na pasmo 2[m]. Projekt przewiduje montaż pionowego promiennika równego lambda/4 czyli około 50[cm] i czterech przeciwwag (dłuższych o około 10-15[%]) symulujących płaszczyznę Ziemi nachylonych w jej kierunku pod kątem 45 stopni. Najprostsze rozwiązanie dedykowane pierwszym testom proponuje zmontowanie całości bazując na dolutowaniu odpowiednio przyciętych drutów wprost do gniazda UC1 (SO239). Tak wykonana antena ma dać lepsze i bardziej stabilne parametry transmisyjne w porównaniu z fabrycznymi antenami montowanymi w radiotelefonach przenośnych.

W związku z tym, iż w okolicy mojego QTH dostępny jest aktywnie wykorzystywany przemiennik na pasmo 2[m] (SR6S), z pracą na którym mam problem (będąc na ogrodzie) postanowiłem wykonać rzeczoną antenę GP, aby na własnej skórze przekonać się o domniemanym dobrodziejstwie płynącym z używaniem takiego sprzętu.

Jako, że projekt miał naturę testową nie pokusiłem się o szczególnie wyszukane materiały i postanowiłem maksymalnie wykorzystać dostępne mi części. Estetyka wykonania także nie stanowiła priorytetu. Jedyny cel to budowa i sprawdzenie anteny w działaniu.

Podstawowymi komponentami, o które oparłem swój projekt były:

  • gniazdo panelowe N męskie,
  • drut miedziany w emalii 1.3[mm2] (promiennik),
  • 4 rurki aluminiowe o średnicy 6[mm] (przeciwwagi),
  • nitownica + nity aluminiowe o średnicy 3[mm] i długości 10[mm],
  • stalowy kątownik z otworami (mechaniczny montaż całości).

W pierwszej kolejności przyciąłem aluminiowe rurki na długość 60[cm] i korzystając z kombinerek zagiąłem ich końce pod kątem około 45[o]. Długość zagiętej końcówki to 2,5[cm] pozwalająca, na dalszym etapie, na przymocowanie rurki do kątownika.

Końce przeciwwag zagięte pod kątem 45[o]

Aby ułatwić wspomniane mocowanie zagięte końce rurek spłaszczyłem wykorzystując do tego sporo siły i klucz “żabka”.

Zagięte końce przeciwwag spłaszczone by ułatwić dalszy ich montaż

Następnie, po wstępnym przymierzeniu każdej z przeciwwag do kątownika, wykonałem otwory do ich mocowania (na nity). Przewierceniu podlegały jednocześnie: rurki oraz kątownik. Użyłem do tego celu wiertła do metalu o średnicy 3[mm].

W zakończeniach przeciwwag wykonane zostały otwory montażowe

Jednocześnie w kątowniku wykonałem otwory montażowe dla złącza sygnałowego w taki sposób, aby wypadały pomiędzy zestawami otworów przeznaczonych dla przeciwwag. Wybór zaproponowanego złącza typu N wynikał wyłącznie z faktu posiadania takowego na stanie oraz tego, że posiadam kilka wcześniej już wykonanych feederów zakończonych wtykiem męskim N, które warto było wykorzystać. Warto wspomnieć tu, że wszystkie otwory wykonane zostały bardziej “na oko” niż poprzez zaplanowanie i precyzyjne ich wymierzenie.

Istotną częścią procesu składania anteny było określenie strony kątownika, po której mają być posadowione końcówki przeciwwag. Założenie było takie, aby pionowa część zagiętej blachy (na zdjęciu poniżej) stanowiła wsparcie montażowe do statywu. Z tego względu gniazdo antenowe musiało znaleźć się u dołu poziomej części kątownika. Aby umożliwić bezproblemowy jego montaż dość grube zakończenia spłaszczonych rurek aluminiowych musiały wylądować na górze zmniejszając tym samym separację pomiędzy złączem antenowym, a blachą kątownika. Poprawia to pewność połączenia oraz powoduje iż środkowy pin gniazda N jest bardziej wyeksponowany, a przez to łatwiejszy w dostępie podczas lutowania promiennika.

Każda z przeciwwag została przynitowana dwupunktowo z wykorzystaniem uprzednio przygotowanych otworów.

Dwupunktowy montaż przeciwwag do kątownika na nity

Efekt montażu przeciwwag od strony złącza sygnałowego pokazany jest poniżej.

Widok na przynitowane przeciwwagi od strony złącza antenowego

Kolejnym etapem było mechaniczne zamocowanie panelowego gniazda męskiego N (oczywiście może to być dowolne gniazdo które Wam odpowiada i które da się w sensowny sposób zamontować). Początkowo planowałem wyciągać bolce nitów od strony złącza, jednak okazało się, że nitownica nie ma dobrego dojścia do powierzchni z otworami i musiałem zmienić stronę instalacji nitów. Dalszy montaż przebiegł już bezproblemowo.

Nitowanie gniazda zasilającego antenę do kątownika

Na koniec pozostało wstępne docięcie wibratora, usunięcie z jego końca emalii i wlutowanie do środkowego pinu gniazda N. Początkowa długość wyniosła 50[cm]. Dodatkowo zewnętrzna część kątownika stanowiąca wsparcie montażowe do statywu została oklejona taśmą izolacyjną, aby wprowadzić barierę elektryczną pomiędzy metalowym statywem i anteną, oraz została zainstalowana opaska zaciskowa typu “tryt” pozwalająca na zawieszenie gotowej anteny na czubku statywu fotograficznego.

Kompletna antena wraz z dołączonym kablem sygnałowym (feederem opartym o kabel H155) przedstawiona jest poniżej.

Gotowa antena GP na pasmo 2[m]/70[cm] zawieszona na statywie fotograficznym

Po montażu przyszedł czas na strojenie anteny i testy. Nie wiedząc jak szeroko pracuje taka konstrukcja chciałem uzyskać najlepsze dopasowanie przypadające na środek węższego pasma (2[m]) czyli w okolicach 145[MHz]. Podłączyłem więc NanoVNA i zacząłem docinać wibrator krokami po około pól centymetra. Po kilku próbach uzyskałem oczekiwany efekt. SWR wyniósł troszkę poniżej 1.1:1 dla częstotliwości 144.800[MHz], gdzie impedancja wyniosła 52.27+j0.972[OHm]. Ostateczna długość promiennika (liczona od kątownika do końca drutu) wyniosła 47.5[cm]. Jak dla mnie wynik całkiem przyzwoity.

Antena GP 2[m]/70[cm] zestrojona na środek pasma 2[m]

Widząc dość niskie wartości współczynnika fali stojącej postanowiłem przebadać zbudowaną antenę w szerszym zakresie, aby zrozumieć jak szeroko stroi się ta konstrukcja. Punktem odniesienia był SWR na poziomie < 2:1. Taka wartość umożliwia pracę bez specjalnych zabezpieczeń. Ilość mocy odbitej jest niska (11[%]) i nie grozi uszkodzeniem wzmacniacza w radiu nawet w przypadku pracy ze znacznie większą mocą niż ta jaką dysponują radiotelefony przenośne. Szerokość strojenia dla podanych warunków testu wyniosła 56[MHz]! Pokrywa to zakres 123[MHz] – 179[MHz] czyli całkiem sporo.

Szerokość strojenia anteny GP 2[m]/70[cm] w paśmie 2[m] dla SWR < 2:1

Naturalną koleją rzeczy było podłączenie radiotelefonu do nowej anteny i próba przeprowadzenia łączności przez przemiennik “dwójkowy”. Próba okazała się być pełnym sukcesem. Nie tylko bez problemu otwierałem, dotychczas słabo dostępny “z ręki”, przemiennik lecz na dodatek mogłem robić to z wykorzystaniem niższej mocy i co najważniejsze: raport od korespondentów uzyskałem na Q5! Tą samą antenę wykorzystałem później także do łączności bezpośredniej w ramach testów łączności kryzysowej DASR – również ze znakomitym wynikiem.

Dla dopełnienia testów nowej konstrukcji postanowiłem sprawdzić jak antena radzi sobie w paśmie 70[cm]. Pasmo to rozpościera się w zakresie częstotliwości 440[MHz] – 460[MHz]. Jeśli wziąć za bazę środek pasma 2[m] czyli 145[MHz] to jej trzecia harmoniczna wypada na częstotliwości 435[MHz], czyli całkiem blisko zakresu 70[cm]. Jeśli i w tamtym zakresie antena także mogła stroić się szeroko, istniała szansa, że może być z powodzeniem wykorzystana także do łączności na “siedemdziesiątce”. Należało sprawdzić czy tak się stanie, oraz jeśli tak to w jakim zakresie.

Procedurę testu przeprowadziłem tak samo jak dla pasma 2[m], a wyniki przedstawiają kolejne wykresy.

SWR anteny GP 2[m]/70[cm] w paśmie 70[cm] zestrojonej na środek pasma 2[m]

Okazało się, że antena zestrojona na środek pasma 2[m] razie sobie całkiem dobrze w paśmie 70[cm]. Najlepszy SWR wypadł w dolnej połowie zakresu na częstotliwości 447[MHz] i wynosił 1.19:1 przy impedancji zespolonej 42.3+j2.22[OHm].

Szerokość strojenia anteny GP 2[m]/70[cm] w paśmie 70[cm] dla SWR < 2:1

Zakres strojenia w okolicach pasma 70[cm] dla SWR < 2:1 wyniósł 132[MHz] i zawierał się w przedziale 414[MHz – 546[MHz]. Kolejny ciekawy wynik.

Podsumowując polecam każdemu budowę tej jakże prostej anteny GP na pasma 2[m]/70[cm]. Jest ona nie tylko łatwa i tania w wykonaniu, lecz także otwiera zupełnie nowe możliwości pracy stanowiąc alternatywę dla fabrycznych anten radiotelefonów przenośnych. Wprawdzie jej skuteczność na “siedemdziesiątce” nie jest tak dobra jak w ramach pasma “dwójkowego” to z powodzeniem może być wykorzystywana w obu przypadkach. Dodatkowo antenę taką, jak ma to miejsce w moim przypadku, łatwo jest wynieść wyżej choćby z wykorzystaniem taniego i przenośnego statywu fotograficznego. Umożliwia to jeszcze skuteczniejszą pracę w porównaniu z antenami montowanymi bezpośrednio do transceivera ręcznego. Antena znakomicie nadaje się tak do pracy w terenie jak i do pracy bazowej. Grubość zastosowanych przewodników umożliwia pracę pod znacznym obciążeniem mocy.

Mam nadzieję, że artykuł ten będzie stanowił inspirację dla wielu z Was, którzy nadal wahają się czy warto przeznaczyć odrobinę swojego wolnego czasu na zgłębianie tajników anten, ich konstrukcji oraz poznawania ich możliwości. Proponowany projekt należy do tych, od których warto zacząć, aby iść dalej w tej ciekawej i pouczającej przygodzie jaką jest radioamatorstwo.

Miłego antenowania!

Dipol wielopasmowy – rozszerzenie zakresu jednopasmowej anteny typu inverted Vee

Po pomyślnym zakończeniu budowy mojej pierwszej anteny na fale krótkie, o której pisałem wcześniej, naszła mnie chęć uruchomienia swojej stacji w kolejnym paśmie. Jako, że oryginalna konstrukcja (ze względu na ograniczone możliwości terenowe) została wykonana na pasmo 40[m] mogłem sobie pozwolić jedynie na pójście w wyższe częstotliwości. Wybrałem zatem pasmo 20[m] jako bardzo atrakcyjne ze względu na możliwość robienia dalekich łączności (głównie za dnia).

Plan przewidywał dodanie kolejnej sekcji promienników do już istniejącej konstrukcji i weryfikacji czy “ulepszona” antena rzeczywiście staje się multi-bandem. Prace techniczne poprzedziło oczywiście studiowanie literatury z zakresu konstrukcji dipoli wielopasmowych. Z lektury, oraz rozmów na lokalnym przemienniku FM, wynikało, że proces wzbogacania obecnej konstrukcji powinien być prosty i bez pułapek.

Zabrałem się zatem za przycięcie nowych promienników wykonanych, tak jak poprzednio, z przewodu w izolacji o przekroju 1,5[mm2], które uzyskały długość nieco większą niż wynika to ze wzoru na długość fali. To wydłużenie zrobiłem celowo, aby móc wykorzystać znaną mi już metodę obciążania liniowego do strojenia anteny. Promienniki zostały przycięte symetrycznie na długość 5,09[m] i zakończone na jednym z końców lutowanym oczkiem pozwalającym na skręcenie z balunem przy pomocy nakrętki motylkowej.

Zaczep promiennika lutowany do przewodu

Następnym etapem było dołączenie dodatkowych ramion do istniejącego już punktu zasilającego, a następnie upięcie obu promienników z wykorzystaniem opasek winylowych – trytów.

Promienniki dwóch pasm podłączone do punktu zasilania i spięte razem

Po zakończeniu tego etapu, czując sukces i zapas czasu na wieczorne testowanie anteny, z zaciekawieniem przystąpiłem do pomiarów SWR by ocenić jak stroi się całość i dokonać stosownych korekt.

Ku mojemu zdziwieniu wykres SWR w funkcji częstotliwości prezentował się dramatycznie! Nie tylko nie trafiłem w pasmo 20[m], ale popsuło się także – dotychczas doskonale zestrojone – pasmo 40[m]. SWR osiągał duże wartości i nie było mowy o tym, że to co powiesiłem ma szanse w ogóle pracować – chyba, że z wojskową skrzynką. Jako, że zbliżał się zmrok postanowiłem przeznaczyć wieczór i – jak się okazało – nadchodzące dni na ponowne przemyślenie konstrukcji.

Analiza tego co może być nie tak, przegląd literatury i rozmowy na lokalnym przemienniku FM rozjaśniły mi problem. Sam pomysł na to, by rozszerzyć możliwości anteny, poprzez dodanie dodatkowych promienników na żądane pasma, jest jak najbardziej OK. Problemem okazał się sposób montażu. Mianowicie bliskie poprowadzenie kabli spowodowało, że zaczęły na siebie wzajemnie oddziaływać i od strony zasilania antena nie przedstawiała dwóch niezależnych sekcji antenowych, ale jedną o raczej skomplikowanej impedancji nie rezonującej w żadnym z amatorskich pasm. Wszystkiemu winna znacząca pojemność pomiędzy przewodnikami i efekt transformatorowy bliskich przewodów…

Poprawa usterki polegać miała na rozpięciu przewodów i odseparowaniu ich na bezpieczną odległość, przy której wzajemny wpływ na siebie miał być do pominięcia. Z rozmów z praktykami, oraz literatury, wyciągnąłem wniosek, że odległość ta powinna być jak największa, jednak rozsądna i nie mniejsza niż 8-15[cm]. Postanowiłem spróbować z odległością 15[cm].

Mając plan pozostał jeszcze do rozwiązania problem natury technicznej czyli jak szybko i tanio wykonać rzeczoną separację. Zależało mi na działającej antenie oraz na skonfrontowaniu teorii z praktyką. Podróż do pobliskiego marketu ogrodniczego napełniła mnie pomysłami. Spośród kilku możliwych wariantów wybór ostatecznie padł na (tanią) żyłkę (o małym przekroju) do podkaszarek elektrycznych.

Cienka żyłka do podkaszarek elektrycznych to dobry materiał na separator promienników anteny

Idea montażu zakładała podwieszenie ramion pasma 20[m] do ramion pasma 40[m]. Żyłka separacyjna miała być zawiązywana na obu łączonych promiennikach, jednak sztywność i śliskość materiału spowodowały zmianę sposobu montażu na ściskanie zagiętej żyłki dwoma opaskami winylowymi po każdej stronie połączenia. Okazało się, że przy odrobinie wysiłku i precyzji połączenia te są nie tylko wytrzymałe, ale i także dobrze unieruchomione, a co za tym idzie zabezpieczone przed przesuwaniem się w przypadku pojawienia się wody. Nie jestem w stanie nic powiedzieć o wytrzymałości takiego wynalazku na promieniowanie UV i warunki atmosferyczne, ale przynajmniej w czasie rozbudowy anteny separatory spisały się doskonale.

Sposób mocowania żyłki separującej promienniki

Separacja promienników została wykonana tylko w kilku miejscach tak, aby konstrukcja utrzymywała założony dystans pomiędzy przewodnikami. Nie starałem się za wszelką cenę utrzymywać stałej odległości już od miejsca zasilania i z tego powodu promiennik pasma 20[m] swobodnie uwisa osiągając założoną odległość dopiero przy pierwszym separatorze (około 40[cm] od punktu zasilania anteny). Zapewne ma to wpływ na ostateczną charakterystykę promieniowania i strojenie, ale na tym właśnie polegają eksperymenty amatorskie, by próbować różnych rozwiązań.

Efekt końcowy – antena z rozseparowanymi promiennikami pasm: 40[m] (na górze) i 20[m] (poniżej)

Ponieważ promiennik pasma 20[m] jest krótszy od tego na pasmo 40[m] więc należało go napiąć osobną liną. Poza utrzymywaniem stosownego napięcia lina stała się także nośnikiem, na którym nastąpiło późniejsze strojenie poprzez powrotne zawijanie końców izolowanego przewodu na samego siebie.

Krótszy promiennik (na pasmo 20[m]) został napięty osobnymi linkami

Po zakończeniu montażu zrobiłem pomiar SWR w zakresie do 30[MHz], aby sprawdzić jak stroi się nowa dwupasmowa antena, oraz czy i jak na uprzednio strojone pasmo 40[m] ma wpływ dołożenie dodatkowych promienników. Ku memu zaskoczeniu pasmo 40[m] nadal było objęte całe z SWR < 2:1. Do tego pasmo 20[m] stroiło się tuż na jego początku co oznaczało, że należy zawinąć trochę końce promienników.

SWR w funkcji częstotliwości na zmodyfikowanej i jeszcze nie zestrojonej anteny

Wykonując iteracyjne strojenie i zapisując nowe wartości, oraz posiłkując się arkuszem kalkulacyjnym szybko udało się doprowadzić do sytuacji zestrojenia pasma 20[m] w samym jego środku. Na tym etapie prace nad rozszerzeniem możliwości anteny zostały zakończone.

SWR w funkcji częstotliwości zmodyfikowanej anteny po strojeniu

Na koniec należy wspomnieć, że dodanie promienników na pasmo 20[m] będących w odległości zaledwie 15[cm] od pasma podstawowego 40[m] wpłynęło nieznacznie na przestrojenie się tego ostatniego w górę o parę kiloherców, zaś SWR skoczył z wartości 1.06:1 do 1.12:1. Nadal całe pasmo stroi się dla SWR < 2:1 co jest, w mojej opinii, wynikiem bardzo dobrym.

Dzięki rozszerzeniu zakresu mojej inverted V uruchomiłem się i przeprowadziłem wiele QSO w modulacjach cyfrowych: FT8 i FT4.

Jestem bardzo zadowolony z uzyskanego efektu. Jednocześnie przećwiczyłem w praktyce wpływ bliskości promienników na podstawowe parametry anteny. Zachęcam czytelników do eksperymentowania nawet z antenami zawieszonymi tak nisko jak moja. Wiedza jaką wynosi się z eksperymentów jest nie do przecenienia.

Miłego antenowania!

Moja pierwsza antena KF – inverted Vee na pasmo 40 metrów

Po pomyślnym zdaniu egzaminu na Świadectwo Radiooperatora w Służbie Radiokomunikacyjnej Amatorskiej z końcem 2018 roku i otrzymaniu Pozwolenia Radiowego na początku roku 2019 równolegle ze studiowaniem literatury i zapisów w Internecie rozpocząłem kompletowanie sprzętu umożliwiającego mi rozpoczęcie pracy na KF-ie. Postanowiłem, że ze względów finansowych oraz zamiłowania do tematyki przesyłu informacji niską mocą (telemetria, modulacja LoRa) swoją przygodę z krótkofalarstwem, na falach średnich, rozpocznę od pracy QRP.

Uznałem, że nabywanie doświadczenia operatora radiostacji działającej z małą mocą może rozpocząć się od wykorzystania prostszego (i tańszego) modelu radia ponieważ pierwsze próby mają polegać na odkrywaniu tajników propagacji, obyciu się z jej zmiennością i zrozumieniu jak poprawnie korzystać z jej właściwości. Do wyboru pozostały: emisja i pasmo. Biorąc pod uwagę parametry mojego stałego QTH (lokalizacji radiostacji) zdecydowałem się na próby z emisją cyfrową FT8 wiedząc, iż przy dostępnych warunkach antenowych mogę nie mieć możliwości pracy głosowej. Miejsce przeznaczone na antenę znajduje się wewnątrz osiedla 2-piętrowych domów wielorodzinnych skąd wyście sygnału radiowego jest skutecznie tłumione praktycznie w każdym kierunku, za wyjątkiem strzelania w niebo po dużym kątem (i grzania chmur). Kilka watów mocy (~7[W]) , jakie oferuje radio Omega+, w emisji jednowstęgowej SSB na pewno nie dałoby sensownego zasięgu z tej lokalizacji w fonicznej części pasma. Dobrym wyborem mogłaby być zatem telegrafia, jednak tajników CW nie miałem okazji zgłębić jak dotąd. FT8 jako emisja wąskopasmowa wydała mi się szansą na dobre wykorzystanie dostępnej mocy nadajnika i osiągnięcie sensownych wyników wraz z rozpoczęciem praktycznej nauki o propagacji.

Jeszcze przed rozpoczęciem prac nad moją pierwszą anteną musiałem podjąć decyzję odnośnie pasma, na którym będę pracował. Ze względów praktycznych (łatwość budowy) postanowiłem, że będzie to antena jednopasmowa. Mając na uwadze koszty do wyboru miałem zbudowanie prostego dipola lub bazującej na jego konstrukcji anteny typu odwrócone V. Zaletą tej ostatniej jest to, iż wymagany jest tylko jeden punkt podparcia. Dodatkowo ograniczenia terenowe narzuciły budowę promienników, które muszą mieścić się na przestrzeni o długości około 9,5[m] w każdą stronę. Sytuacja taka powodowała, że można było rozważać budowę anteny na pasma od 40[m] w górę (promienniki o długości około 10[m] i krótsze). W związku z tym, iż chciałem mimo wszystko posiadać antenę pracującą w popularnym paśmie, gdzie możliwe są wszystkie rodzaje emisji zdecydowałem się na wybór pasma 40[m]. Nie bez znaczenia jest też fakt, iż to pasmo (obok równie popularnego pasma 80[m]) jest jednym z najczęściej otwartych, czyli umożliwiających prowadzenie łączności przez największą część roku. Zatem 40[m].

Do pełni szczęścia pozostało jeszcze rozwiązanie problemu miejsca na ramiona anteny. Ich wymagana długość to około 10[m] (ćwierć fali na każdy z przewodów), ja zaś dysponowałem wyłącznie zasięgiem około 9,5[m] w poziomie. Oczywiście podniesienie punktu zasilającego anteny na pewną wysokość (względem końców promienników) pozwala na zwiększenie długości ramion, jednak zasilanie wyniesione na wysokość zaledwie 3[m] nad poziomem gruntu nie robi szału i nie daje szans na uzyskanie przestrzeni na sensowne napięcie 10[m] przewodnika włączając w to przestrzeń na izolator i linę, zwłaszcza, że końce ramion nie mogły biec do samej ziemi, a na wysokość szczytu płotu czyli około 1,4[m] nad poziom gruntu. Na szczęście w toku nauki dotarłem do informacji, iż możliwe jest skracanie długości potrzebnej na rozpięcie promienników, wykorzystując technikę liniowego obciążania (linear loading). Polega ona na zawijaniu końców promienników z powrotem na same siebie umożliwiając przy tym posiadanie ramion o długości elektrycznej większej niż dostępne miejsce. Wymogiem jest jednak izolacja pomiędzy zawiniętymi częściami, aby elektrycznie nie skracać anteny. Ten typ obciążania, oczywiście, ma wpływ na sprawność i charakterystykę promieniowania anteny, lecz jeśli długość części zawiniętej nie ma znaczącego udziału w całkowitej długości promiennika wpływ ten jest do pominięcia.

Tak uzbrojony w wiedzę wyruszyłem na poszukiwanie potrzebnych elementów umożliwiających budowę zaplanowanej anteny. Na pierwszy ogień poszedł przewód elektryczny 1,5[mm2] w izolacji, który leżał na wyprzedaży w zwijce około 22[mb] w jednym ze sklepów wielkopowierzchniowych. Cena była atrakcyjna więc nie było co się zbytnio zastanawiać mimo, iż kolor nie należał do najszczęśliwszych – bo czerwony, a co za tym idzie bardziej rzucający się w oczy… Zakupiłem także kilka rur PCV 1/2” wraz ze złączami i zagięciami do budowy wspierającego masztu. Dodatkowo zaopatrzyłem się w grubą mufę hydrauliczną z zaślepkami do osłony baluna, kołowrotek z gwintem, linę oraz garść elementów towarzyszących (śrubki, złącza, motylki) i oczywiście opaski winylowe czyli tryty. Dokupiłem także lakier brązowy w spray’u, aby jakoś zamaskować moją artystyczną prowizorkę.

Na początek przyciąłem kabel na promienniki. Jako, że plan zakładał budowę anteny na pasmo 40[m] to długość ramion powinna wynosić mniej-więcej 10[m]. Połowa zakupionej linki to około 11[m] i aby nie zajmować się precyzyjnym docinaniem postanowiłem rozciąć przewód na dwie równe części. Liniowe obciążanie powinno pozwolić na całkowite wykorzystanie zdobytego materiału, którego nadmiar nie powinien stanowić znaczącego problemu. Z jednej strony przycięte odcinki zostały zakończone oczkami umożliwiającymi ich przykręcenie, nakrętką motylkową, do śruby osadzonej w elemencie mocującym kabel zasilający (mufa z zamontowanym wewnątrz balunem). Przeciwległe strony, przeznaczone do napinania linkami przymocowanymi do płotu, zostały zaplanowane jako zahaczane karabinkami w miejscach zagięcia promienników. Dokładne miejsce mocowania pozostawało jednak do ustalenia podczas strojenia anteny.

Linię zasilającą wykonałem z wykorzystaniem niskostratnego kabla koncentrycznego EKH-155 firmy Elektrokabel. Od strony radia zarobiłem złącze męskie UHF, zaś od strony anteny męskie N. Użycie złącza N podyktowane zostało jego konstrukcją umożliwiającą pracę w szczególnie nie przyjaznych warunkach zewnętrznych. Połączenie oparte o złącza N jest pewne i szczelne. Długość linii zasilającej wyniosła około 16[mb] i wynikała z faktu wykorzystania całego dostępnego odcinka leżącego od pewnego czasu i czekającego na dobrą okazję aby go spożytkować.

Kolejnym etapem było wykonanie masztu, który umożliwi zamocowanie zasilania anteny na wysokości około 3[m] nad powierzchnią gruntu. Użyłem do tego zakupioną rurę PCV, do środka której wprowadziłem kolejną o mniejszym przekroju podnosząc tym samym sztywność konstrukcji. Na szczycie masztu zamontowałem kolanko 90 stopni w które został wkręcony kołowrotek umożliwiający wciąganie i opuszczanie punktu zasilającego zaczepianego na linie.

Kolanko na szczycie masztu z wkręconym kołowrotkiem utrzymującym punkt zasilania anteny

Nieco poniżej maszt został rozcięty i połączony trójnikiem T umożliwiającym wpięcie poziomej rury łączącej maszt z pionową rynną budynku.

Stabilizacja masztu antenowego poprzez umocowanie do rynny i słupka ogrodzeniowego

Połączenie takie umożliwiło częściową stabilizację masztu od strony jego szczytu. Do szczęścia pozostała jeszcze stabilizacja od dołu co zostało zrealizowane poprzez spięcie masztu do słupka ogrodzenia przy pomocy trytów. Wcześniej elementy składowe, po wstępnych przymiarkach i jeszcze przed ostatecznym montażem, zostały pomalowane brązowym lakierem i pozostawione do wyschnięcia.

Następnym etapem było wykonanie punktu zasilania anteny. Wykorzystałem do tego celu mufę kanalizacyjną z uszczelnianymi zaślepkami. W jednej z nic umocowałem haczyk do zaczepienia liny naciągowej (zakończonej karabinkiem),

Uchwyt do mocowania punktu zasilania anteny przy pomocy karabika

w drugiej zaś umieściłem panelowe gniazdo żeńskie N.

Złącze sygnałowe punktu zasilającego antenę

Wewnątrz opakowania znalazł się prosty niskomocowy balun prądowy 1:1 wykonany na bazie rdzenia BN-43-202 (potrzebny do blokowania sygnału common-mode czyli prądu RF płynącego po zewnętrznej stronie oplotu kabla wynikającego z asymetrii wykonania promienników anteny, oraz wpływu pobliskich przedmiotów przewodzących) i śruby z nakrętkami motylkowymi wyprowadzające połączenia elektryczne na zewnątrz. Balun został wykonany według opisu SP5JNW dostępnego w raporcie z testów różnych konstrukcji dostępnym tutaj (5 zwojów na środkowej kolumnie rdzenia skrętki dwóch przewodów DNE 0.4[mm2] ze skrętem 3.5[zw./cm] dającym impedancję linii 50[OHm]).

Wnętrze punktu zasilania anteny z widocznym niskomocowym balunem prądowym

Całość po zmontowaniu wyglądała imponująco dobrze.

Zmontowany punkt zasilania anteny

Testy baluna wykonałem analizatorem RigExpert AA-30 ZERO zasilając go od strony złącza N i zwierając rezystorem 50[Ohm] śruby z motylkami. Mimo, iż rezystor nie był bezindukcyjny SWR w całym paśmie był niski (1.3 i mniej) i w miarę stały więc uznałem, że konstrukcja ma szansę pracować.

Po ostatecznym malowaniu i wyschnięciu nastąpił montaż całości i rozpięcie promienników przy pomocy lin zaczepionych na końcach ogrodzenia. Ze względu na chęć szybkiego uruchomienia anteny promienniki zostały dołaczone bezpośrednio do punktu zasilającego bez wykonywania odciążania (waga użytych przewodów oraz ich słabe napięcie nie powinny spowodować uszkodzenia połączeń). Końce promienników zostały wstępnie zawinięte na odcinku 97[cm] dając przy tym całkowitą długość 10[m] od punktu zasilania do napinacza.

Zmontowana antena – widok na punkt zasilający przymocowany do szczytu masztu z zaczepionymi promiennikami

Przewody nie były napięte mocno i wisiały dość luźno tworząc wklęsły łuk zahaczając po drodze o wszelkie przeszkody…

Widok na ugięty przewód promiennika idący w kierunku południowo-zachodnim

…stojące im na drodze.

Widok na ugięty przewód promiennika idący w kierunku północno-zachodnim

Istotnym komentarzem w tym miejscu jest to, iż oba promienniki nie rozchodziły się w tej samej płaszczyźnie, jak w przypadku prostego dipola, lecz pod pewnym kątem (większym niż 90[o]) zmieniając przy tym charakterystykę promieniowania anteny na bardziej wydajną w kierunku grota strzałki utworzonej przez opadające przewody (południowy-zachód i w górę).

Po dołączeniu linii zasilającej ponownie podłączyłem analizator, aby rozpocząć prace związane ze strojeniem nowej anteny. Testy pokazały, że antena stroi się szeroko (SWR <= 2 szerzej niż pasmo 40[m]) jednak rezonans wypadł zbyt nisko.

Pomiar rezonansu anteny z wstępnie zawiniętymi końcami promienników

Mając do dyspozycji niski SWR w szerokim zakresie postanowiłem, że zestroję antenę tak, aby rezonans wypadł, w miarę możliwości, w okolicach środka pasma czyli na częstotliwości około 7,1[MHz]. Jako, że za metodę strojenia wybrałem obciążanie liniowe zacząłem zwiększać zawinięcie końców promienników kolejno odcinkami po 10[cm]. Robiłem to naprzemiennie zwiększając zawinięcie to lewej, to prawej strony, kontrolując rezonans analizatorem i zapisując wyniki. Po kilku pomiarach i dopasowaniu krzywej strojenia (nieliniowa) wyznaczyłem sobie ostateczną długość promienników dającą mi (wg. obliczeń) rezonans w środku pasma. Ku mojemu zdziwieniu obliczenia przeprowadzone w arkuszu kalkulacyjnym pokryły się z rzeczywistością. Trafiłem w sam środek pasma! Atena została zestrojona.

Pomiar rezonansu anteny przy długości zawinięć promienników wyliczonych tak by trafić w środek pasma 40[m] (opracowane na podstawie wyników serii wczesniejszych pomiarów)

Ostatnim elementem prac było przeprowadzenie jednogodzinnej sesji próbnych łączności, aby ocenić dokąd dociera sygnał z mojej konstrukcji. Na potrzeby testu wybrałem cyfrową modulację FT8 i maksymalną moc nadajnika wynoszącą 7[W]. Do pracy wykorzystałem program WSJT-X. Zasięg i możliwości łącza oceniłem analizując raporty siły sygnału z przeprowadzonych QSO oraz z wykorzystaniem strony internetowej https://pskreporter.info/pskmap.html .

Podsumowując stwierdzam, iż moja pierwsza konstrukcja antenowa okazała się być sporym sukcesem. Przy jej budowie pokonałem szereg problemów natury mechaniczno-elektrycznej i zapoznałem się, w praktyce, z zagadnieniem strojenia anteny z wykorzystaniem techniki obciążania liniowego. Dużą pomocą okazało się wykorzystanie arkusza kalkulacyjnego, dzięki któremu po kilku iteracjach strojenia anteny byłem w stanie wyliczyć ostateczną długość zawiniętych promienników tak, aby z dużą dokładnością uzyskać żądaną częstotliwość rezonansową. Zakup narzędzia pomiarowego Rigexpert AA30-ZERO umożliwił mi łatwą analizę dostrojenia anteny co z kolei dostarczyło danych wejściowych do wspomnianego już arkusza kalkulacyjnego.

Mam nadzieję, że moja przygoda będzie dla Ciebie inspiracją do działania i wejścia w świat KF-u, oraz poczucia magii radia.

Miłego antenowania!