Problemy (niewynikające z konstrukcji anten) z jakimi zmierzyłem się podczas strojenia każdej z opisywanych konstrukcji były zbliżone. W związku z tym postanowiłem szerzej opisać je w jednym miejscu.
Potrzebny sprzęt
Pierwszy problem to trudność w uzyskaniu precyzji i konieczność wykorzystania specjalistycznego sprzętu. Antenę Magnetic-Loop można orientacyjnie zestroić "na słuch" ale o wiele dokładniej jest wykorzystać chociażby miernik SWR pokazujący wykres. W przypadku anteny EH najlepiej jest dysponować miernikiem pokazującym SWR, składowe impedancji (R, X), wykres fazy i wykres Smitha. Istnieją sposoby na zestrojenie anten bez podglądu tych parametrów (np. samym miernikiem pola elektromagnetycznego). Uważam natomiast że jest to nieporównywalnie trudniejsze. Podczas pomiarów zbadałem jednak wskazania miernika pola elektromagnetycznego przy pracy obu anten.
Bezpośrednie sąsiedztwo anteny
Drugi problem z jakim się spotkałem to wpływ bliskiego otoczenia anten na ich parametry i zestrojenie. Zauważyłem że sąsiedztwo jakichkolwiek obiektów (w tym ciała ludzkiego) poniżej pewnej odległości od anteny istotnie wpływa na wskazania przyrządów pomiarowych. Orientacyjnie wyznaczyłem promień takiej strefy na ok. 3m. Jest to zbieżne z opracowaniami teoretycznymi wyznaczającymi ten obszar na λ/6. Wpływ sąsiedztwa jakiegoś obiektu w odległości większej był już znikomy. Wpływ bezpośredniego sąsiedztwa na antenę EH był większy niż na antenę Magnetic-Loop. Wyniki moich testów co do tego zjawiska pokrywają sie ze spostrzeżeniami Vlada UA1ACO opisanymi tutaj. Ostatecznie obie anteny działają lepiej wtedy, gdy w promieniu ok. 3m w każdym kierunku nie ma żadnych przedmiotów (w tym ciała ludzkiego).
Wpływ zasilaczy impulsowych
W warunkach domowych zauważyłem duży wpływ zakłóceń z sieci elektroenergetycznej. Przyczyną zakłóceń był w moim przypadku zasilacz impulsowy służący do zasilania laptopa (nie tego który był podłączony do radia, innego ale podłączonego do tej samej sieci). W przypadku podłączenia tego zasilacza do sieci znacznie wzrastał poziom szumu. Mocne sygnały odbierane przy wyłączonym zasilaczu impulsowym stawały się kilkukrotnie słabsze a sygnały słabe zanikały zupełnie. Zjawisko zostało zobrazowane na rysunkach poniżej. Sygnały po włączeniu zasilacza dekodowane były z różnicą w odstępie sygnału od szumu na poziomie 6 db co równoznaczne jest z 4-krotnym spadkiem mocy sygnału.
Środowisko i sprzęt pomiarowy
Aby maksymalnie wyeliminować wpływ urządzeń elektrycznych i elektronicznych oraz elementów metalowych w pobliżu anten, pomiary zostały wykonane na wolnej przestrzeni. Zgodnie z założeniami projektowymi zastosowano kable sygnałowe z tego samego materiału i o tej samej długości. Urządzenie pomiarowe które służyło do wykonania pomiarów to przyrząd RigExpert AA-600 zasilany bateryjnie. Jest to przyrząd umożliwiający zapis pomiarów do pliku cyfrowego celem późniejszej szczegółowej analizy. Dodatkowym atutem prób terenowych była możliwość zastosowania trzeciego zestawu pomiarowego - dipola półfalowego (2 ramiona o długości ok. 5m). Każdy z pomiarów został przeprowadzony w tym samym miejscu z wykorzystaniem tego samego urządzenia oraz w tym samym zakresie częstotliwości (13.074-15.074 MHz). Pozwala to na zestawienie wyników pomiarów na jednym wykresie celem porównania parametrów każdej z anten.
Pomiar SWR
Pomiar RL
Pomiar fazy
Wykres Smitha
Wpływ uziemienia na parametry anteny EH
W prosty sposób zbadałem jak uziemienie anteny EH wpływa na jej paramtery. Przedstawione poniżej wykresy dotyczą anteny EH uziemionej (kolor zielony) i nieuziemionej (kolor brązowy). Jest to prosty test który każdy może wykonać samodzielnie. Punktem styku ziemi i anteny EH w moim przypadku było gniazdo UC-1 łączące antenę z fiderem.
Promieniowanie fidera w antenie EH
Podczas strojenia oraz po zestrojeniu anteny badałem wskazania miernika pola na całej długości fidera. Przy antenie niezestrojonej pojawiało się pole wokół kabla. Po zestrojeniu anteny i podaniu na nią mocy 5W, na całej długości fidera miernik pola nie wskazywał promieniowania. Dopiero przy samej antenie (od około 2m od anteny) miernik wskazywał obecność pola. Wg mnie jest to pole wytworzone przez antenę a nie przez promieniowanie fidera.
Pomiary w labolatoriumŚrodowisko i sprzęt pomiarowy
Aby maksymalnie wyeliminować wpływ urządzeń elektrycznych i elektronicznych oraz elementów metalowych w pobliżu anteny, pomiary zostały wykonane w pracowni pomiarowej o znacznej powierzchni. Mając na uwadze fakt iż bezpośrednie sąsiedztwo ciała ludzkiego oraz innych elementów wpływa na wyniki pomiarów oraz efektywność strojenia, zapewniona została wolna przestrzeń w odległości 4m w każdym kierunku od środka anteny. Wykorzystano następujący sprzęt pomiarowy:
- Analizator Rigol DSA832E + mostek VB1032 (pomiar RL)
- Generator Rhode&Schwartz SMBV100A oraz miernik natężenia pola Tenmars 196 (pomiar składowych pola elektromagnetycznego oraz gęstości mocy w strefie bliskiej)
- Analizator Tektronix RSA5106A (analiza widma sygnału odbieranego przez obie anteny)
Pomiar RL
Wykres strat odbiciowych co do kształtu pokrywa się z pomiarami urządzeniem RigExpert. Antena Magnetic-Loop stoi się o wiele ostrzej w porównaniu z anteną EH. Pomiar analizatorem Rigol był jednak zdecydowanie dokładniejszy z uwagi na większą liczbę próbek i mniejszy zakres częstotliwości pomiaru w porównaniu z pomiarem w wolnej przestrzeni. Dzięki temu widać dokładnie przewagę anteny Magnetic-Loop. Jej zdecydowanie większa selektywność pozwala na większe tłumienie niepożądanych sygnałów. Istnieje możliwość matematycznego przeliczenia wartości RL na SWR. W przypadku RL na poziomie 30dBm przeliczony SWR osiąga wartości poniżej 1,1.
Pomiar poziomu odbieranych sygnałów
Pomiar polegał na podłączeniu badanej anteny i wykreśleniu charakterystyki amplitudy odbieranego sygnału w funkcji częstotliwości. Zakres badanej częstotliwości celowo obejmował o wiele większe pasmo. Zmierzony został poziom sygnałów odbieranych w zakresie od 10MHz do 18MHz. Tym samym przewidziane pasmo pracy anten mieściło się mniej więcej po środku tego przedziału. Antena pętlowa cechuje się o wiele większą selektywnością. Z kolei antena EH lepiej odbiera sygnały w całym pasmie, można to zaobserwować np. przy częstotliwości ok. 11,260MHz oraz 15,350 MHz.
Pomiar składowych pola i gęstości mocy
Pomiar polegał na podaniu mocy 20dbm (odpowiadającej 100mW) z generatora na antenę i zmierzeniu składowych pola elektromagnetycznego w strefie bliskiej bezpośrednio przy antenie.
Z uwagi na to pomiar przeprowadzony w taki sposób można traktować orientacyjnie do przewidzenia kierunkowości anten.
Zbadanie charakterystyki promieniowania anteny, wyznaczenie kąta połowy mocy, określenie zysku kierunkowego i energetycznego to profesjonalne i dokładne sposoby określenia kierunkowości.
Jednak bez użycia specjalistycznego i precyzyjnego sprzętu wyznaczenie tych parametrów w sposób możliwie obiektywny jest utrudnione z uwagi między innymi na rozmiar anten oraz długość fali wynoszącą λ = 20m.
Kierunkowość oraz poziom promieniowania anten zbadałem w możliwie najdokładniejszy sposób przy użyciu dostępnych środków a otrzymane wyniki traktuję orientacyjnie.
Aby określić różnice w poziomie składowych pola oraz gęstości mocy przy podaniu sygnału na antenę w stosunku do niepodawania mocy,
zmierzyłem najpierw poziom odniesienia składowej elektrycznej, magnetycznej oraz gęstości mocy przy wyłączonym generatorze sygnału.
Uznaję te wskazania za poziom szumu w pomieszczeniu pomiarowym. Celem analizy wyników, wartości jakie wskaże miernik przy podaniu mocy należy pomniejszyć o poziom zakłóceń pomieszczenia.
Zaprezentowane w sposób schematyczny wyniki stanowią odczyt z miernika pola (bez odejmowania poziomu otoczenia).
W przypadku anteny EH można zauważyć ponad 4-krotny wzrost gęstości mocy oraz prawie 2-krotny wzrost wartości składowych elektrycznej i magnetycznej w jednej osi w porównaniu z osią prostopadłą do niej.
W przypadku anteny Magnetic-Loop można zauważyć prawie 3-krotny wzrost gęstości mocy oraz przyrost wynoszący około 50% wartości składowych elektrycznej i magnetycznej w jednej osi w porównaniu z osią prostopadłą do niej.
Po analizie wyników stwierdzam że w badanym środowisku pomiarowym poziom promieniowania anteny EH zmierzony w polu bliskim jest większy niż poziom promieniowania anteny Magnetic-Loop.
Zakres strojenia anteny Magnetic-Loop
Z uwagi na zastosowanie w antenie Magnetic-Loop kondensatora zmiennego, możliwe jest dostrojenie anteny do rezonansu w pewnym zakresie częstotliwości. Przeprowadzony pomiar miał określić w jakim zakresie antena może zostać zestrojona. W skonstruowanej przeze mnie antenie wykorzystany został kondensator dwusekcyjny. Uznałem więc za zasadne zbadanie możliwego do uzyskania rezonansu w dwóch przypadkach. Pierwszym jest połączenie tylko jednej sekcji kondensatora (o pojemności do 120pF), w drugim wypadku równolegle do niej podłączona została druga sekcja kondensatora (również o pojemności do 120pF). Wyniki pomiarów w postaci wykresów zaprezentowano poniżej.
Pomimo możliwości dostrojenia anteny Magnetic-Loop w szerokim zakresie częstotliwości, spodziewana sprawność w nadawaniu sygnału oraz czułość w odbieraniu sygnału w innym wycinku pasma niż ten do którego antena została skonstruowana może być mniejsza. Wnioski
Antena Magnetic-Loop
Antena Magnetic-Loop stroi się najostrzej. Nie oznacza to wprawdzie wąskopasmowości ponieważ istnieje możliwość pracy w szerokim zakresie pasma ale przy każdorazowej,
nawet najmniejszej zmianie częstotliwości pracy należy dostosować pojemność kondensatora. Z kolei sam kondensator ma duży zakres pojemności, tym samym zmiany pojemności są mało precyzyjne.
Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie przekładni zębatych lub dodatkowego, mniejszego kondensatora dołączonego rówolegle.
Antena Magnetic-Loop może być zestrojona w szerokim pasmie, tym samym można pokryć np. sąsiednie pasma: 30m (10MHz) czy 17m (18MHz). Spodziewana sprawność w innym pasmie niż założone podczas projektowania może być mniejsza.
Sprawdzenie tego może stanowić przedmiot kolejnych pomiarów i/lub testów w przyszłości.
Z uwagi na szybkozmienną charakterystykę SWR/RL anteny Magnetic-Loop należy badać ją z dużą liczbą próbek lub w wąskim zakresie częstotliwości.
Antena EH
Antena EH pomimo wielokrotnie mniejszych wymiarów cechuje się kształtem charakterystyki współczynnika fali stojącej (SWR) zbliżonym do dipola.
Stroi się w szerokim zakresie dzięki czemu nie wymaga przestrajania przy każdorazowej zmianie częstotliwości pracy. Jest to zaleta w porównaniu z anteną Mag-Loop.
Antenę EH jest o wiele trudniej zestroić z uwagi na potrzebę zmiany indukcyjności cewki co wiąże się ze zmianami parametrów fizycznych cewki takich jak kształt, liczba zwojów czy odległość zwojów od siebie. Proces ułatwia możliwość dysponowania specjalnym sprzętem pomiarowym.
Antena jest przeznaczona na dokładnie jedno pasmo, które należy określić przy projektowaniu i budowie anteny.
Ponadto antena EH jest kilkukrotnie mniejsza od dipola półfalowego i około 2 razy mniejsza od anteny typu Magentic Loop co stanowi dodatkową zaletę.
Podsumowanie
Obie anteny są trudne w zestrojeniu, nie jest to jednak niemożliwe. Wskazane jest wykorzystanie sprzętu pokazującego charakterystyki wybranych parametrów ponieważ ułatwia to proces strojenia.
Anteny da się poprawnie zestroić, osiągnąć niski współczynnik fali stojącej (SWR), rezonans i impedancję zbliżoną do 50Ω. Ponadto każda z anten spełnia założenia projektowe.
Ważne jest, aby w bezpośrednim otoczeniu anten nie znajdowały się żadne przedmioty. Przy zmianie bezpośredniego otoczenia anten możliwa jest konieczność ponownego dostrojenia anten z uwagi na zmianę otoczenia.
Przy podaniu niewielkiej mocy na każdą z anten, zauważalne było promieniowanie elektromagnetyczne co oznacza że obie anteny mogą być skuteczne w nadawaniu sygnałów.
Sprawdzenie użyteczności w warunkach fizycznych (przeprowadzenie łączności) zostało opisane w na podstronie Testy.
W pierwszej chwili można uznać anteny za niesprawne/głuche, tymczasem możliwe że coś wprowadza duże zakłócenia. W moim wypadku był to np. zasilacz impulsowy do laptopa czy oświetlenia ledowego. Warto być świadomym tego zjawiska i spróbować poszukać źródeł takich zakłóceń.