Ozařovač se smyčkovým zářičem se zlepšenými vlastnostmi

Rastislav Galuščák – OM6AA & Pavel Hazdra
ČVUT FEL Praha, Katedra elektromagnetického pole, Technická 2, 166 27, Praha, Czech Republic

Volný překlad z anglického originálu, poznámky a hypertextové linky - OK1VPZ 2009

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.