RA6FOO УКВ антенны О низкотемпературных

НА ГЛАВНУЮ - - адрес этой страницы -- http://ra6foo.qrz.ru/noiseless.html -- версия 17 05 2009 -- НА ГЛАВНУЮ

Низкотемпературные антенны в YA 3.54 и в MMANA

апрель 2013 г. Эта страница готовилась в мае 2009 г сначала просто как файл для себя, в котором собраны графики и результаты расчетов нескольких антенн для их сравнительного анализа и выводов для работы в этом направлении. Возможно кому нибудь эти расчеты и графики также были полезны. Для сравнения были взяты антенны из заявленных (кроме RA6HLF16) как малошумящие и на которые, во избежание ошибок, есть полные и достоверные сведения о размерах.

Тем, кто работает на УКВ отражением от Луны известен такой параметр антенны как G/T. G это усиление антенны, а Т- ее шумовая температура. Полезный сигнал мы принимаем с одного направления, а тепловые шумы со всех сторон: шум неба с полусферы над антенной, а шум земли с полусферы под антенной. Земной шум можно значительно ослабить, если поднять главный лепесток диаграммы выше горизонта, а боковые и задние лепестки максимально подавить. Для расчетов в YA 3.54 приняты: материал элементов алюминий, элевация антенны 30°, шум неба 200 гр. Кельвина, шум земли 1000 гр. Кельвина. Здесь надо понимать так, что в 1000 гр. входит и всякий другой шум, производимый на земле, так называемый техногенный шум. Чем больше G/T в +, тем лучше. Формула, по которой идет расчет G/T, выглядит так: Ga dbi - 10 log Ta.
Антенна не только принимает внешний шум, но и шумит сама. Шумит в ней её сопротивление потерь, которое зависит от диаметра, качества материала элементов и от равномерности распределения токов в них. Последнее особенно важно, т.к. при одинаковых материале и диаметрах собственный шум однотипных антенн может различаться в 3 и более раз. Шум R потерь выражают также в температуре потерь Тlos. В антеннах ВК она может быть от 3 до 10 гр. Кельвина. Более подробно о Tlos на странице Шумовая температура АФС .
Создание низкотемпературных антенн очень сложная задача. При этом надо учитывать динамику множества факторов, большая часть которых в прямых числовых значениях в расчетах не выдается. Задача многократно усложняется необходимостью удержания этих и других важных параметров антенны в необходимых пределах в полосе частот.
Лучшие по Ta и G/T антенны собраны в таблицу VE7BQH, часть которой с антеннами от 9.3 до 11.6 м приведена ниже.

Ниже приведены результаты расчетов одиночных антенн, стеков из них 4,25х4,25 м и 4,8х4,8 м.

ОДИНОЧНЫЕ АНТЕННЫ

RA3AQ14 длина 9,6м расчет в MMANA: G= 14.46 дб, ΔG Id/AL= 0.17дб, T los = 5,7°
YU7EF 15 длина 10,06м расчет в MMANA: G= 14.81 дб, ΔG Id/AL= 0.18 дб, T los= 6,1°
RA6FOO17 длина 10,85м расчет в MMANA: G= 14.85 дб, ΔG Id/AL= 0,18 дб, T los= 6,1°
RA6HLF 16 длина 10,15м расчет в MMANA: G= 14.28 дб, ΔG Id/AL= 0,14 дб, T los= 4,8°
Усиление G для антенн из чистого алюминия. ΔG Id/AL- разность усилений антенны из идеального материала и алюминия. Значение T los для антенны из чистого алюминия, получено из ΔG Id/AL.

РАСЧЕТ ОБЩИХ ПАРАМЕТРОВ ОДИНОЧНЫХ АНТЕНН в YA 3.54

РАСЧЕТ T los, Ta, G/T ОДИНОЧНЫХ АНТЕНН в YA 3.54

СТЕКИ 4.25 х 4,25

РАСЧЕТ Tlos, Ta, G/T СТЕКОВ 4,25 х 4,25 м в YA 3.54

СТЕКИ 4.8 х 4,8

РАСЧЕТ T los, Ta, G/T СТЕКОВ 4,8 х 4,8 м в YA 3.54>

Примечания:
- Считаю, что резкий рост КСВ выше 144.5 МГц у YU7EF15 не только слишком большая цена за низкотемпературность, но и создаст трудности в реализации ее параметров в реальной антенне.
- У всех антенн расчитанное усиление в YA 3.54 больше, чем в MMANA. Разность близка к разности усиления антенн из идеального материала и алюминия.
- Традиционный вопрос: "а вы их делали и испытывали?" в данном случае неуместен. Натурные испытания сложны (см. статью UA3DJG на УКВ портале "Оценка качества ЕМЕ-системы") , результаты зависят от множества внешних факторов и проводятся для измерения G/T не антенны или стека, а для измерения G/Tsys, т.е. всей антенно-фидерной системы. Сравнительные натурные испытания группы антенн должны производиться в одинаковых условиях одинаковой аппаратурой и одновременно всех антенн, поэтому никем не производились. Данные, приведеные в таблице VE7BQH получены расчетом моделей, состоящих из нескольких проводов определенной длины, позиции и диаметра и не более того. Могу лишь предположить, что при одинаковом конструктивном исполнении наиболее близкие к расчетным параметры будут иметь антенны, имеющие в модели более широкую полосу частот вверх от расчетной.

Таблица перевода ΔG alum. в Tlos

ΔG alum. 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26
Tlos 2.7° 3.1° 3.5° 3.8° 4.2° 4.5° 4.8° 5.1° 5.4° 5.7° 6.1° 6.5° 6.9° 7.3° 7.7° 8.0° 8.3° 8.7° 9.0°

G/T ПАРАМЕТРЫ СТЕКОВ 2 Х 2 ИЗ АНТЕНН НА 144.1 MHz

TYPE OF L GAIN E H Ga Tlos Ta G/T
ANTENNA ( WL/M ) ( dBd ) ( m ) ( m ) ( dBd ) ( °K ) ( °K ) ( dB )
CC17B2 4.51/9.3 14.53 4.28 4.06 20.47 4.99 234.82 -1.08
DK7ZB 14 4.71/9.75 15.04 4.73 4.54 21.02 6.90> 245.10 -0.73>
K1FO 18 4.77/9.9 14.72 4.35 4.14 20.63 4.54 234.66 -0.93
M2 28 XPOL 4.80/9.9 15.22 4.86 4.66 21.19 17.11 257.51 -0.77
HG217DX 4.82/10.0. 14.81 4.63 4.43 20.78 8.14 256.05 -1.16
DJ9BV 4.8 4.83/10.0 14.65 4.40 4.18 20.57 5.85 255.84 -1.37

M2 5WL 4.83/10.0 14.80 4.56 4.35 20.74 8.70 251.18 -1.11
YU7EF 15 4.84/10.0 14.98 4.44 4.23 20.92 4.89 221.29 -0.38
SM5BSZ 14A 4.89/10.11 15.14 4.54 4.33 21.03 4.43 238.02 -0.59
RA3AQ-15 4.92/10.15 15.14 4.67 4.48 21.10 4.42 239.26 -0.54
SM5BSZ 14 4.95/10.2 15.29 4.72 4.51 21.19 3.02 233.77 -0.68
SM2CEW 19 4.98/10.3 14.91 4.47 4.26 20.84 9.38 233.77 -0.70
DJ9BV O-5WL 5.02/10.4 15.05 4.69 4.49 21.01 5.23 242.70 -0.70
K5GW 17 5.06/10.5 14.99 4.64 4.44 20.96 6.16 244.55 -0.78
K1FO 19 5.18/10.7 15.01 4.47 4.27 20.92 4.04 232.19 -0.59
#RU1AA 15 5.27/10.9 15.55 4.85 4.85 21.55 6.02 235.76 -0.03
RU1AA 15 5.27/10.9 15.55 4.85 4.65 21.50 5.99 236.28 -0.09
M2 18XXX 5.32/11.0 15.07 4.55 4.35 21.01 7.95 240.56 -0.66
M2 32 XPOL 5.62/11.62 15.70 5.23 5.04 21.69 15.02 250.74 -0.16

Antennas marked with a "#" have stacking dimensions for XPOL antennas by VE7BQH
WL/M - Длина антенны в лямбдах/метрах. E H - расстояние между антеннами в стеке
Tlos - -сопротивление потерь антенны в гр. Кельвина. Ta - Полная температура антенны в гр. Кельвина.
Это включает боковые лепестки,задний лепесток и сопротивление потерь антенны или стека.
G/T- Число,отображающее качество,определяющее способность приема антенной или стеком слабых
сигналов = (Ga + 2.15) - (10*log Ta). Чем больше в плюс число,тем лучше.
E/H Stacking, G, Ga and G/T расчитаны на YA 3.54 by Goran Stenberg,SM2IEV
Были приняты для расчетов температуры: Tнеба= 200 градусов K;Tземли = 1000 градусов K

Примечание: Tземли = 1000 градусов K это шум, менее,чем на 1 балл (5,5 дб) превышающий тепловой шум земли. В городских условиях он может превышать этот шум на 2...3 балла, что соответствует Т земли 4000...16000 гр. К. В таких условиях антенны с максимальным для их длины усилением теряют преимущество и в лидеры по G/T выходят антенны с максимальным подавлением вне главного лепестка, причем отрыв может быть значителен, до 1...2 дб соответственно.

УЧЕТ ПОТЕРЬ В МАТЕРИАЛЕ АНТЕНН В ПРОГРАММАХ MMANA, NEC 2 и YA 354

Возьмем для примера YU7EF-15 и сделаем расчеты в MMANA, NEC и YA 354 на частотах 143, 144, 145, 146, 147 и 148 МГц с идеальным материалом и с алюминием. Из результатов расчетов возьмем активную часть входного сопротивления и его разность и усиление и его разность. КПД нормальных УКВ антенн около 99% и нас интересуют в первую очередь потери при приеме, независимо от того, где и в какой форме они происходят. Имея в модели только проводники определенной длины, позиции, материала и диаметра логично предположить, что все потери происходят только на активном сопротивлении скин-слоя. Будем считать, что увеличение входного сопротивления антенны из алюминия происходит в основном за счет сопротивления потерь R пот. в реальном материале, и в меньшей степени за счет несколько иного распределения токов в элементах, а уменьшение усиления - в основном за счет потерь в реальном материале и в меньшей степени за счет небольшого изменения параметров антенны.

. MMANA NEC 2 YA 354

f МГц R al Δ R G al Δ G T los R al Δ R G al Δ G T los R al Δ R G al Δ G T los
142 24.97 0.18 14.23 0.11 3.8° 25.53 0.12 14.3 0.06 2.0° 24.36 0 14.32 0.06 3.41°
143 24.3 0.25 14.58 0.14 4.8° 24.76 0.2 14.65 0.08 2.7° 23.5 0 14.66 0.07 5.46°
144 39.87 0.26 14.83 0.19 6.5° 40.39 0.3 14.9 0.12 4.2° 37.86 0 14.97 0.06 4.38°
145 20.87 0.99 14.61 0.46 16° 19.27 0.3 14.75 0.31 10.5° 19.62 0 15.05 0.03 2.54°
146 2.166 0.72 13.2 1.58 55° 1.818 0.37 13.57 1.17 40.5° 1.44 0 12.57 2.04 115.7°
147 0.969 0.503 8.69 3.21 112° 0.78 0.32 9.27 2.43 85° 0.46 0 11.71 0.02 0.76°
148 1.422 0.705 2.21 2.97 102° 1.216 0.5 2.63 2.28 79° 0.71 0 4.98 0.01 0.35°

В таблице:
R al - активная часть Z вх. антенны из алюминия. Δ R - разность R al - R идеал. G al - усиление антенны из алюминия. Δ G - разность G идеал.- G al.
T los - температура потерь в антенне, В YA 354 расчитанная непосредственно, в MMANA и NEC 2 расчитанная по Δ G. Расчет R пот. и T los на основе Δ G см. на странице Шумовая температура АФС

Из результатов расчетов можно сделать выводы о том, что:
1 - Расчеты R al и G al в NEC 2 и в MMANA на частоте на 300 КГц выше чем в NEC 2 практически совпадают в полосе рабочих частот антенны, а различия на частотах, где R и Jx имеют экстремальные значения и крутизну хода, вполне соответствуют и конечной точности расчетов и различиями вычислительных ядер NEC и MMANA.
2 - R al и G al в расчетах в YA 354 практически совпадает с расчетами R идеал. и G идеал. не только в MMANA NEC 2, но и с собственными расчетами, т.е. YA 354 в расчетах Rвх. и G антенны не учитывает активное сопротивление реального материала и остается неясным, как в таком случае YA 354 учитывает его при расчете Т los.
3 - Экстремальные и явно нереальные значения T los в YA 354 на частотах 146 МГц и выше, видимо следствие ограниченных возможностей DOS программ и ограничений самой YA 354.
4 - T los в параметре G/T составляет малую часть от Т и возможная ошибка в расчете T los на рабочих частотах 144...145 МГц в 1...2° существенно не влияет на расклад сил в таблице VE7BQH.
5 - В то же время составляющая G в формуле G/T прямо зависит от расчетного усиления G. Отличия в 0,2...0,4 дб усиления при равной общей щумовой температуре Т существенно влияют на сравнительную оценку качества антенны, а расхождение расчетов Gal в YA 354 с расчетами в NEC 2 и MMANA на разных частотах достигает 3 дб.

НА ГЛАВНУЮ