|
Úvodem
Ozařovače s aktivním prvkem (zářičem) ve tvaru smyčky jsou velmi často používány jako primární
ozařovače u elektricky malých antén s parabolickými reflektory. Smyčkové
uspořádání ozařovače pro 70cm publikoval Luis Cupido CT1DMK [1]. Verzi pro
23cm zveřejnil
Guenter Koellner – DL4MEA [2]. Tyto dvě verze se také lišily z hlediska
velikosti reflektoru. Cupidova verze používala
reflektor o průměru 1 lambda, zatímco Koellnerova
verze používala menší reflektor, zhruba o
průměru půl lambda. Tento článek je zaměřený
podstatu problémů týkajících se použití elektricky malého a hlubokého
kruhového parabolického reflektoru s primárním
ozařovačem a na to, aby popsal návrh ozařovače se smyčkovým zářičem
(dále jen "smyčkový ozařovač") vhodného pro tyto
antény. Hlavní výhodou takového smyčkového ozařovače je zlepšení účinnosti
antény při velmi jednoduchém mechanickém uspořádání.
(Poznámka OK1VPZ: přestože
tento typ ozařovače používá zářič zformovaný do tvaru kruhu, výsledná
polarizace elektromagnetické vlny, kterou tento ozařovač generuje, je
samozřejmě lineární a nikoli kruhová.)
1. Účinnost elektricky malých antén s
parabolickým reflektorem
Účinnost takových
elektricky malých parabolických antén je výrazně snižována různými
faktory, souvisejícími s jejich rozměry a v rámci toho také poměrně
velkého ozařovače a relativně malého reflektoru antény. Například,
zvážíme-li různé průměry parabolické antény s
jednoduchým vlnovodným ozařovačem o průměru 0,65 lambda, potom anténa s
reflektorem o průměru 20 lambda bude mít poměr
průměru ozařovače a reflektoru 0,0325, zatímco menší anténa s refletorem 4
lambda bude mít tento poměr 0,1625. A navíc,
obvykle není možné zmenšit rozměry ozařovače. Některé negativní aspekty
týkající se účinnosti malých parabolických antén
popisuje Paul Wade W1GHZ [3].
Nejpodstatnějšími faktory, ovlivňujícími parametry antény s malým
reflektorem jsou:
a. Zastínění části plochy parabolického reflektoru centrálně umístěným
ozařovačem.
Zisk parabolické antény s centrálně umístěným ozařovačem je dán vztahem:
kde D je průměr
reflektoru, d je průměr ozařovače, je vlnová délka a je celková účinnost.
Z tohoto vztahu (1) je zřejmé, že rozměry ozařovače mohou výrazně snížit
účinnost antény zastíněním části reflektoru. Grafické znázornění toho je
ukázáno na obrázku 1 a znázorňuje, že průměr ozařovače "d" by měl být co
nejmenší.
Obr. 1 Vliv zastínění
rovnoměrně (ideálně) ozářené antény antény v závislosti na průměru
ozařovače
b. Vlastnosti elektromagnetického pole vycházejího z ozařovače a jeho
odchylky od sférické vlny.
Podle Huygensova principu, pole je superpozicí prostorového vlnění
pocházejícího z plochy, umístěné mezi bodem pozorování a zdrojem. To
znamená, že ústí ozařovače se jeví jako vícebodový zdroj prostorových vln
s různými amplitudami a fázemi - viz obr.2. To má za následek, že některé
rozdílné "paprsky", které jsou také odráženy reflektorem, budou mít vliv
na zhoršení účinnosti. Pro danou velikost ozařovače je takové zhoršení
účinnosti přímo úměrné velikosti parabolického reflektoru s tím, že větší
je tím méně ovlivněn. Vezmeme-li v úvahu tento jev, potom dosažení lepší
účinnosti antény vyžaduje, aby ozařovač byl pokud možno bodovým zdrojem,
ze kterého se šíří sférické vlny. Použití Huygensova principu na reálný
ozařovač dobře vysvětluje tento jev. Na obrázku 3. je znázorněno šíření
elektrické složky pole z běžně užívaného vlnovodného ozařovače s
tlumivkovým límcem, běžně užívaného, jako přímý ozařovač kruhového
reflektoru. Více informací o Huygensova principu je možno nalézt v odkazu
[4].
Obr. 2 Vizualizace šíření elektrické složky elmag.vlny -- Bodový zdroj
(vlevo), vícebodový zdroj (vpravo)
Obr. 3 Vizualizace intenzity elektrické složky blízkého elmag. pole
(časový snímek) u límcového ozařovače typu antény "horn"
c. Difrakce způsobená umístěním ozařovače a jeho podpěr
Difrakční jevy jsou vyvolány interakcí při šíření elektromagnetických vln,
dopadajících na překážky v jejich cestě (k reflektoru antény), jako jsou
ozařovač a jeho podpěry - viz obr.4. Dalšími zdroji difrakčních, od
původního pole odlišných elektromagnetických vln, je obruba reflektoru a
ozařovačem a podpěrami zastíněná místa na reflektoru, jako výsledek
projekce ozařovače a podpěr (vzhledem k dopadající primární, přijímané
prostorové vlně). Difrakce způsobujepřídavné ztráty, zejména z důvodu
narušené homogenity elektromagnetického pole na povrchu reflektoru.
Nejmodernější způsoby modelování elektromagnetického pole používají
software, který používá Geometrickou teorii difrakce, zveřejněnou Kellerem
[5].
Obr. 4 Vizualizace difrakčních jevů
d. Interference v hlavním vyzařovaném svazku z důvodu zpětného
vyzařování a druhotně vygenerovaném elmag poli.
Požadavek na malé fyzické rozměry ozařovače, doporučované v předchozích
odstavcích, jsou v konfliktu s požadavky na potlačení zpětného vyzařování
přímo z ozařovače. Právě zde se objevuje potíž týkající se odstranění
nežádoucího vyzařování při použití elektricky malé konstrukce ozařovačů,
které typicky mají velký podíl vyzařování ve zpětném směru. Toto nežádoucí
vyzařování interferuje s požadovaným vyzařováním antény odrazem od
reflektoru a v souvislosti s tím se deformuje vyzařovací lalok antény a
snižuje její účinnost. Příklad měření vyzařování v horizontální i
vertikální rovině pro rovinný kruhový vlnovod o vnitřním rozměru 0,65
lambda a délky 1 lambda je znázorněn na obrázcích 5 a 6. Takový vlnovod je
buzen čtvrtvlnnou anténkou. Právě taková konstrukce ozařovače je obvykle
používána ve spojeni s menšími a hlubšími parabolickými reflektory.
Obr. 5 Jednoduchý ozařovač tvaru kruhového vlnovodu
Obr. 6 Vyzařovací diagramy ozařovače ve tvaru kruhového vlnovodu o průměru
0,65 lambda
Vyzařovací diagram v rovině E (vlevo) a v rovině H (vpravo)
Vyzařovací diagram na obrázku 6. ukazuje, že zpětné vyzařování je
potlačeno pouze o 12dB. Další potlačení zpětného vyzařování takového
vlnovodného ozařovače může být dále potlačeno přidáním tlumivkového límce
okolo otevřeného ústí vlnovodu, ale tím jen zaměníme zúžení hlavního
laloku antény za větší zastínění parabolického zrcadla. Jak vypadá
blízké pole parabolické antény, ozářené ideálním bodovým zdrojem v jeho
ohnisku je ukázáno na obrázku 7. Vidíte, že elektrická složka elmg.pole v
ohnisku a jeho blízkém okolí je nehomogenní a má relativně vysokou
intensitu. Vysoká intenzita pole generuje parazitní proudy, tekoucí po
vodivém povrchu ozařovače, což zase vytváří nežádoucí elmg.pole. Toto
nežádoucí pole má náhodnou polarizaci a interferuje s polem, odraženým od
parabolického reflektoru. Výsledkem je opět snížení účinnosti.
Máme zde několik způsobů, jak eliminovat množství druhotného vyzařování:
zmenšit velikost ozařovače, pokrýt ozařovač materiálem, absorbujícím VF
povrchové proudy, nebo zajistit, aby povrch ozařovače měl zvlněný povrch,
který VF povrchové proudy nevede dobře.
Obr. 7 Vizualizace elektrické složky blízkého elmg. pole s reflektorem o
průměru D = 3 m a f/D = 0.28
Reflektor je ozářen soustředěným vyzařováním z bodového zdroje (f = 1296
MHz) v ohnisku.
Běžný pokles elmg.pole
začíná až 15 metrů ve směru hlavního laloku.
e. Impedanční přizpůsobení
V případě sestavy malých parabolických antén je ozařovač obvykle
umístěn velmi blízko k reflektoru. Malá vzdálenost mezi ozařovačem a
parabolickým zrcadlem má vliv na impedanční parametry a může přispět k
vytvoření odrazů na vstupním portu ozařovače, a to zejména v případě, že
ozařovač má formu vlnovodu. Instalace ozařovače do parabolické antény může
mít jak positivní, tak negativní vliv na impedanční přizpůsobení v
závislosti na specifické konstrukci, velikosti reflektoru a kmitočtu.
(Poznámka OK1VPZ:
jde o to, že vlna, vycházející z ústí ozařovače se odráží ode dna paraboly
a vrací se zpět do ústí ozařovače, kde dochází k interakci přímé a
odražené vlny. To může způsobit jak značné nepřizpůsobení ozařovače vůči
impedanci přívodního vedení, tak i relativní zlepšení přizpůsobení - a to
v závislosti na fázi a amplitudě obou vln. Proto je možno prakticky vždy
vylepšit vstupní přizpůsobení parabolické antény mírným posunem ozařovače
v podélném směru v ose antény okolo ohniska a tedy vhodným vyfázováním
odražené vlny (což ovšem může být na úkor optimálního ozáření paraboly). V
případě antény typu offset k tomuto jevu nedochází.
Dokumentace závislosti S parametru S11 vlnovodného typu ozařovače s
přepážkou (septum feed) na vzdálenosti od zrcadla byla publikována v [6].
Studie pro aténní sestavu podle obrázku 8, sestávající se ozařovače
zobrazeného na obrázku 5. a parabolický reflektor o průměru 5 lambda (f/D
ratio 0.35) je na grafu obrázku 9. Při buzení vlnovodného ozařovače byl
použit základní vlnovodný mód TE11.
Obr. 8 Sestava vlnovodného ozařovače a parabolického zrcadla o průměru 5
lambda
Tato simulace byla provedena s použitím software CST MW studio [7]. Aby se
zabránilo potenciálním potížím s impedančním nepřizpůsobením a ovlivnění
vyzařovacích laloků, model celé sestavy, sestávající se z ozařovače
a reflektoru, by ještě měl být optimalizován.
Obr. 9 Závislost změn parametru S11 (útlum odrazu na vstupu) ozařovače
2. Návrh ozařovače
Ozařovač se smyčkovým radiátorem ("smyčkový ozařovač") se skládá z
jednoho, nebo více 1 lambda dlouhých zářičů svinutých do kruhového
tvaru, reflektoru a napájecího vedení. Konfigurace dvoupásmového ozařovače
je zobrazena na obrázku 10.
Obr. 10 Dvoupásmový smyčkový ozařovač
Při použití software CST MW Studio jsme zkoumali vyzařování smyčkového
radiátoru a zjistili jsme, že vzdálenost mezi smyčkou a reflektorem
ovlivňuje nejenom tvar vyzařovacího laloku, ale zejména impedanci. Rozměry
reflektoru ovlivňuje symetrii vyzařovacího laloku a potlačení zpětného
vyzařování. Vypočítané výsledky pro různé reflektory smyčkového zářiče
jsou ukázány v tabulce 1.
(Velikost reflektoru - zisk v hlavním laloku - potlačení zpětného
vyzařování - šířka laloku pro potlačení 3 a 10 dB - v H i V rovině)
Tab. 1 Vyzařovací vlastnosti smyčkového zářiče s různými reflektory
Z těchto výsledků je
zřejmé, že větší reflektor omezuje vyzařování ve zpětném směru a zlepšuje
symetrii vyzařovacích laloků. Platí se za to ovšem větším zastíněním
parabolického zrcadla. Abychom zmírnili toto zastínění, zvětšili jsme
elektrickou velikost reflektoru smyčkového zářiče přidáním límcového
prstence na obvodu reflektoru. To zlepšilo parametry ozařovače bez toho,
aby bylo nutné zvětšit míru zastínění parabolického zrcadla. S tím
souvisela optimalizace ozařovače s využitím CST MW Studio Time Domain
Solver. Měnili jsme průměr smyčky zářiče, jeho vzdálenost od
reflektoru, průměr reflektoru a výšku límce reflektoru. To vše jsme
optimalizovali především z hlediska tvaru hlavního vyzařovacího laloku,
potlačení zpětného vyzařování a impedanční přizpůsobení (S11). Záměrem
optimalizace bylo dosažení co nejlepších vlastností pro nejčastěji
používané paraboly s poměrem f/D blízkým hodnotě 0,4. Když jsme
optimalizovali jedno pásmo, přidali jsme druho smyčku, abychom dosáhli
dvoupásmovosti. Vliv přidané smyčky pro vyšší pásmo byl z hlediska
vyzařovacích charakteristik základního pásma zanedbatelný. Abychom
prostudovali chování kompletní antény s reflektorem o průměru 6,5 lambda,
namodelovali jsme v tomto programu celou sestavu. Následovala optimalizace zaměřená na výsledné vyzařování a
přizpůsobení.
Změny byly analyzovány s použitím doftware FEKO [8] a aplikaci metody
MLFMM. To celkově představuje poměrně velkou strukturu pro detailní
matematickou analýzu a proto jsme pro návrh použili zjednodušený model,
který nezahrnoval připojovací koaxiální vedení. Pro buzení smyčkového
zářiče jsme během této počítačové optimalizace používali virtuální
symetrické napájení propojené přímo se zářičem, což vedlo k
určitým pochybnostem o možné deformaci vyzařovacího laloku při napojení
koaxiálního vedení. Naštěstí později,
při detailní analýze, jsme zjistili, že toto zjednodušení nemá žádný
výrazný vliv na parametry ozařovače.
3. Mechanická konstrukce
Základní mechanickou součástí ozařovače je robustní reflektor ve tvaru
misky, který byl vyroben soustružením z kulatiny hliníkové slitiny EN AW
5083 (H111). Krátká, postříbřená koaxiální spojka s přírubou na jednom
konci byla vyrobena z mosazi. Toto koaxiální vedení, opatřené na jedné
straně přírubou pro konektorovou zásuvku typu "N", umístěnou zevně na dně
reflektoru prochází otvorem v reflektoru a na druhém konci je ukončeno
seříznutím. Uvnitř koaxiálního vedení je teflonové dielektrikum se
středním vodičem. Do kruhu s pomocí přípravku stočený zářič, umístěný
uvnitř misky reflektoru je samonosný a v našem případě byl vyroben ze
semirigidu UT-141. Konce zářiče jsou připájeny bezolovnatou pájkou SnAg5.
Pro větší mechanickou stabilitu zářiče, zejména pokud byste chtěli tento
typ ozařovače vyrobit pro pásmo 70cm, je možno zářič podepřít teflonovým
sloupkem umístěným naproti koaxiálnímu napojení zářiče. Mechanické detaily
dílů i celé sestavy jsou vidět na výkresech v příloze.
4. Naměřené parametry
Vlastnosti dvoupásmového ozařovače byly zkoušeny v bezodrazové komoře
společnosti ERA Pardubice [9]. Jak vidíte na obrázku 18, byly sledovány
vyzařovací charakteristiky na obou pásmech a jak v horizontální, tak i ve
vertikální rovině. Naměřená i vypočtená data jsou zakreslena pro porovnání
na obrázcích 11 a 12.
Obr. 11 Vyzařovací charakteristiky - 23 cm
Obr. 12 Vyzařovací charakteristiky - 13 cm
Bylo dosaženo dobré shody mezi vypočtenými a naměřenými hodnotami.
Pozorované rozdíly v postranních lalocích lze přisoudit zjednodušení
počítačového modelu, protože byl počítán bez napájecího koaxiálního
vedení. Přesto je zřejmé, že osová symetrie pro obě pásma i obě
polarizační roviny zůstala velmi dobrá. Vypočtená účinnost anténní
soustavy pro parabolické zrcadlo o průměru 1,5m je uvedena na obrázku 13.
Obr. 13 Účinnost parabolické antény
Pro výpočet účinnosti
antény na obou pásmech byl použit software FEKO s tím, že pozice ozařovače
byla optimalizována pro pásmo 23cm. Podařilo se nám dosáhnout dobré
účinnosti na tomto pásmu, a to v širokém rozmezí f/D parabolického
zrcadla. Optimání vlastnosti na 13cm bude tento ozařovač mít s mělkou
parabolou. Nejlepší vlastnosti na obou pásmech byly dosaženy u paraboly s
poměrem f/D 0,45.
Impedanční přizpůsobení (S11 a S22) ozařovače umístěného ve volném
prostoru jsou zobrazeny na obrázcích 14 a 15. Izolace (S21) mezi oběma
smyčkami byla 17.4 dB na 1296 MHz a 15.7 dB na 2320 MHz. Pro tato měření
byl použit spektrální analyzátor Agilent N1996A.
Impedance a izolace byla měřena také pro celou anténní soustavu, kdy
dvoupásmový ozařovač byl umístěn v ohnisku antény o průměru 1,4m s poměrem
f/D = 0,5. Bylo přitom naměřeno zlepšní impedančního přizpůsobení na pásmu
23cm. Výsledky jsou na obrázcích 16 a 17. Pouze malé změny byly
zaznamenány při měření izolace, a bylo naměřeno 19 dB na 1296 MHz a 15.8
dB na 2320 MHz.
Obr. 14 Útlum odrazu pro ozařovač ve volném prostoru - 1297 MHz
Obr. 15 Útlum odrazu pro ozařovač ve volném prostoru - 2318 MHz: 27.4dB
(Marker 2)
Obr. 16 Útlum odrazu pro ozařovač v parabolické anténě - 1295 MHz
Obr. 17 Útlum odrazu pro ozařovač v parabolické anténě - 2319 MHz
Obr. 18 Ozařovač se smyčkovým zářičem v bezodrazové komoře ve firmě ERA
Pardubice
5. Praktické zkušenosti
Získali jsme praktickou zkušenost při zkoušení a provozování dvoupásmového
ozařovače v polních podmínkách během dvou radioamatérských soutěží. Tou
první byla účast v IARU Region 1 UHF/SHF Contestu 2007 pod značkou
radioklubu OM50KHE. Anténa byla sestavena z parabolického zrcadla o
průměru 1,7m s poměrem f/D 0,4 a ozařovače se smyčkovým zářičem,
mechanicky přizpůsobeného pro dosavadní anténní držák pomocí
zabudování do válcovitého krytu z nerezového plechu, jak je vidět na
obrázcích 19 a 20. Anténa byla použita pouze pro pásmo 23cm. Výsledkem
bylo 104 spojení včetně několika QSO přes 800km. V porovnání s předtím
používaným ozařovačem (zobrazeným na obrázku 5), jsme zaznamenali
podstatné zlepšení a v tomto závodě jsme překonali náš klubovní rekord.
Obr. 19 vlevo: Jozef – OM6AM drží ozařovač umístěný v krytu z nerezového
plechu
Obr. 20 vpravo: Fero – OM6AR instaluje ozařovač do ohniska parabolického
reflektoru
Druhý test byl proveden členy radioklubu OK2KYC během I. Subregionalního
závodu 2008. Ozařovač byl umístěn do ohniska paraboly o průměru 1,4m s
poměrem f/D okolo 0,5 (viz obrázky 21 a 22). Také zde byly dosaženy velmi
dobré výsledky na obou pásmech 23 a 13cm, kdy byly rovněž přepsány
historické klubovní rekordy dosažené dříve během tohoto contestu.
Obr. 21 Anténní sestava u OK2KYC
Obr. 22 detail sestavy ozařovače
Shrnutí a závěry
Tento "smyčkový ozařovač" představuje jednoduchou, vysoce účinnou a lehce
zhotovitelnou variantu pro ozařovač středových kruhových parabolických
antén. Smyčkový ozařovač je lehce přizpůsobitelný pro různé poměry f/D
parabolických zrcadel změnou velikosti reflektoru a rozměry ozařovače se
dají přepočítat podle vlnové délky do pásma 70cm, nebo na vyšší pásma.
Přidání druhé smyčky umožňuje vícepásmové použití. Mechanická konfigurace
je velice odolná, kompaktní a jednoduše dovoluje ochranu smyčkových vodičů
zakrytím dielektrického víka přes ústí ozařovače. Náš smyčkový ozařovač
dovoluje použití vysokého VF výkonu, prakticky limitovaného pouze použitým
"N" konektorem. Ovšem ale, vzhledem k hodnotám izolace mezi oběma
smyčkami, musí být při vícepásmovém provozu během vysílání do jednoho
zářiče dobře izolován vstup přijímače druhého pásma dobrým výkonovým
koaxiálním relé.
Poděkování
Autoři by chtěli poděkovat za pomoc Vítězoslavovi
Krčmářovi a Petrovi Kašpárkovi (OK2ULQ) za zajištění měření ozařovače,
Vladimírovi OK1VPZ za zajištění výroby některých mechanických dílů a
Robertu Valentovi za jeho technickou a jazykovou pomoc.
Odkazy:
[1] Cupido, Luis - CT1DMK; “70cm Deep Dish Feed” DUBUS, 2/2002
[2] Koellner, Guenter - DL4MEA; “Parabolic Dish Ring Feed”
http://www.qsl.net/dl4mea/ringfeed.htm
[3]Wade,Paul-W1GHZ;“Multiple ReflectorDish Antennas”
http://www.w1ghz.org/antbook/conf/Multiple_reflector_antennas.pdf
[4] Ishimaru, Akira; “Electromagnetic Wave Propagation Radiation and
Scatering” Prentice Hall,
New Jersey, 1991. ISBN 0-13-249053-6 J. Opt. Soc. Of America 52, 116-130
(1962)
[5] Keller J. B.; “Geometrical theory of diffraction,”
[6] Galuscak, Rastislav- OM6AA; “Septum Feed Revisited” DUBUS 4/2004
[7] Computer Simulation Technology web site:
www.cst.de
[8] FEKO EM systems-Software & SS.A. (Pty) Ltd, website:
www.feko.info
[9] ERA Pardubice, webside: www.era.cz
Volný překlad z anglického originálu
http://www.om6aa.eu/Loop_Feed_DUBUS_Version.pdf pro web
OK2KKW připravil se souhlasem autorů OK1VPZ.
Poznámka OK1VPZ: V tomto původním
zdroji také naleznete detailní mechanické výkresy jednotlivých dílů
ozařovače.
|
