Val og staðsetning HF-bílneta
Eftir Guðmund Löve TF3GL
Markmið
Hafandi ekið um með HF-bílloftnet um hríð lék mér forvitni á að skilja betur hvað það væri sem réði mestu um mikilvægustu eiginleika þeirra þegar á hólminn er komið – eða í þessu tilfelli á bílinn! Með "mikilvægir eiginleikar" á ég við tvennt:
- Nýtni loftnetsins
- Útgeislunarmynstur: Skywave og jarðbylgja fyrir innanlandssamskipti og útgeislun undir lágu horni fyrir DX
Þetta tvennt á sér sameiginlegan áhrifavald þar sem tap er annars vegar; einkum frá jörð, spólum og köplum/aðlögunarrás (í þessari röð). Því voru það miklu fremur hlutir eins og staðsetning loftnets á bílnum, hæð þess frá jörðu, lárétt eða lóðrétt pólun á útgeislun, útgeislunarmynstur m.t.t. skywave og jarðbylgju, sem voru mér ofarlega í huga.
Lýsing
Módelið
Gert var módel af jeppa með Nissan Patrol sem fyrirmynd hvað stærðir varðar. Módelið er gert í forritinu EZNEC skv. meðmælum með NEC2-reiknivélinni sem forritið notar, t.d. varðandi lengdir á segmentum í vírum og sverleika þeirra þegar módelera skal fleti.
Þá er módelið gert með raunsæum þykktum á vírum í gluggapóstum og loftnetsleiðurunum sjálfum, og bíllinn er bæði með topp, hliðar og botn (í 30 cm hæð frá jörð), til að rýmd til jarðar reiknist sem réttust, þar sem bíllinn er jú notaður sem mótvægi við öll loftnetin.
Öll loftnetin eru loks tengd við bílinn á "víramótum" til að lágmarka reikniskekkjur. Alls samanstendur módelið af 760 vírum. Módelið er gert "úr stáli" með viðnámið 7×10-7 ?×m, og allt saman staðsett yfir torleiðandi íslenskri jörð (G = 0,001 S/m ; k = 4).
Mynd 1: Yfirlitsmynd af jeppamódelinu, sem einnig sýnir hvar hin mismunandi loftnet tengjast við bílinn (ath. að ekki er sýndur allur langi vírinn aftur úr bílnum). Allir reikningar voru þó gerðir með aðeins eitt loftnetanna áfast í senn.
Loftnetin
Við módeleringu á loftnetunum var leitast við að gera þau sem raunhæfust m.t.t. fýsískra stærða og spólutaps. Til að áætla tapsviðnám í spólum var fyrst reiknuð rýmd (capacitance) í útgeislunarhluta netsins og spólan síðan reiknuð út frá því. Loks var tapsviðnámið reiknað með áætluðu Q.
Eftirfarandi formúla um rýmd loftneta er tekin úr ARRL Antenna Book 2006 og færð til metrakerfis:
þar sem
CA er rýmd loftnets í pF
l er lengd loftnets í m
f er tíðni í MHz
D er þvermál loftnets í cm.
Hamstick-netið
Þetta net er samsett úr 1.2 m langri spólu, vafinni utan á ½" fiberstöng. Ofan á spóluhlutann kemur svo 1.4 m langur kónískur (tapered) stáltoppur, sem notaður er til að tjúna netið í nákvæman resónans innan viðkomandi bands. (Í EZNEC er toppurinn módeleraður sem 1.2 m langur, því leiðarar sem mjókka upp virka styttri á RF en þeir eru í reynd.)
Reiknað er með Q=100 fyrir þessa spólu, sem virðist vera nokkuð varlega áætlað skv. módeleringu á svona spólu með hugbúnaði frá Reg heitnum Edwards, G4FGQ. Reiknuð rýmd í þessu neti er 26.9 pF. Í rýmdinni er er spóluhlutinn talinn með, því hann hefur útgeislun, en rýmd spóluhlutans og topphlutans eru þó reiknuð sitt í hvoru lagi sakir mjög mismunandi þvermáls.
Úr þessu verður tapsviðnám í spólu Hamstick-netsins R~L~=16.3 ?. Þetta var tékkað af með öðru forriti frá G3FGQ sem gefur allnokkru lægra tapsviðnám (um 11 ?), svo þetta er tekið gott og gilt.
Gufunes-netið
Þetta loftnet hefur eina 20 cm langa spólu sem staðsett er ? frá botni. Það er látið enda í sömu hæð og Hamstick-netið, 4.50 m yfir jörð. Heildarlengd netsins er því 4.2 m, og þar af eru 2.7 m fyrir ofan spólu og 1.3 m fyrir neðan (neðri stöngin ½" í þvermál).
Toppurinn er reiknaður sem 1 mm sver leiðari (sem auðvitað væri inni í fíberstöng í raunveruleikanum), og gefur þetta rýmdina 20.2 pF. Með því að reikna með Q=200 fyrir þessa spólu, sem ásamt rýmdinni gefur tapsviðnám R~L~=10.8 ?. Þetta var einnig tékkað af með aðstoð G3FGQ og er vel innan konservatífra marka.
Long-wire-netið
Þetta er einfaldlega 0.75q rafmagnsvír með 0.5 mm þykkri PVC-einangrun. Samkvæmt minni reynslu er 18 m lengd hæfileg til að gott sé að tjúna út í vírinn á 160, 80 og 60 metra (hér 5.4 MHz) böndunum með sjálfvirkum L-rásartjúner frá LDG (LDG-7000).
Þótt reiknuð lengd á vír þar sem væri viðunandi straumhámark í fæðipunkti á öllum þessum böndum sé um 20 m, þá virðist sem rýmd til jarðar virki til lengingar netinu sem nemur um 10%. Skiptir þá ekki máli hvort vírinn liggur á jörðinni eða er haldið um 1 m frá jörð (þessu til staðfestingar var hann athugaður með antenna analyzer og mældist svo til eins).
NEC2-reiknivélin ræður ekki við víra á eða í jörð, þannig að módelið staðsetur vírinn í 5 cm hæð yfir jörð, sem er einnig raunsætt sem e.k. meðalhæð þegar vírinn er dreginn á eftir bíl yfir stokka og steina. (Til fróðleiks má nefna að ef vírinn er settur í 1 cm hæð tapast um 2 dB, nokkuð jafnt í allar áttir.)
Á þessu neti er ekki reiknað með spólutapi, enda er tap í L-rásartjúnernum sem notað er við þetta net mjög lítið (tíunduhlutar úr dB) og jafnast í sjálfu sér út með notkun á tjúner með hinum netunum ef farið er eilítið út fyrir hina skörpu resónanstíðni.
Útreikningar
Í EZNEC voru fæðipunktar ("sources") settir á miðja spólu í tilfelli Hamstick- og Gufunesnetanna. Þetta gefur mjög góða nálgun við straumdreifikúrfu neta sem eru þetta stutt miðað við bylgjulengd. Á Long-Wire-netinu var fæðipunkturinn einfaldlega settur á upphafspunkt vírsins.
Eins og áður segir voru öll netin simuleruð hvert í sínu lagi, og aðeins það net sem var til prófunar var áfast á bílnum hverju sinni. Útreikningarnir voru gerðir yfir lélegri, íslenskri jörð (G = 0,001 S/m ; k = 4), þar sem það eru aðallega í ýmis konar "jaðartilfellum" sem menn þurfa á bestu loftnetunum að halda.
Allir útreikningar eru gerðir á innanlandstíðni ÍRA (3633 kHz).
Hamstick-netið
Þetta net sýnir góða lárétta útgeislun en sem vænta má er djúpt núll upp frá netinu í "stefnu mesta málms" í bílnum undir því.
Heildartap í módelinu er -19.4 dB. Styrkur lóðrétt pólaðrar útgeislunar í 10° hæð er að meðaltali -18.5 dBi (frá -19.6 dBi til -17.5 dBi, sterkast í framstefnuna miðað við bílinn). Þetta gefur góða vísbendingu um styrk jarðbylgju frá netinu. Lóðrétt pólun er algerlega dóminerandi frá þessu neti.
Til fróðleiks og samanburðar var einnig reynt að staðsetja Hamstick-netið á stuðara í stað þess að hafa það á toppi bílsins. Fyrirfram var ljóst að við þetta myndi tap í jarðviðnámi aukast verulega (líklega í hlutfallinu 1/h^2^ plús tap vegna lélegri leiðni jarðar en bíls!), auk þess sem stefnuvirkni ykist sem og líklega skermunarvirkni bílsins.
Það kom þó nokkuð á óvart hversu gríðarlega miklu munar á staðsetningunni, eins og neðangreind mynd ber með sér. Heildartap í módelinu með staðsetningu á stuðara er -27.4 dB, eða 7.4 dB meira en með staðsetningu á toppi – sem gefur nýtnina 5.5% miðað við staðsetningu á toppnum, eða um átjánfalt verri!
Önnur tilraun var gerð: Til að lika eftir hegðun netsins í akstri var því hallað aftur um 25°, og við það grynnkaði "núllið" upp af netinu um allt að 6 dB á kostnað um 1 dB daufara merkis í afturstefnuna. Þessar niðurstöður eru ekki settar fram í grafi en einungis tíundaðar hér til að minna á þá staðreynd að unnt er að ná betra skywave með því einfaldlega að sveigja loftnetið frá lóðréttu.
Mynd 2: Hamstick - samanburður á staðsetningu sama loftnetsins (á toppi eða á stuðara). Það þarf ekki að hafa mörg orð um hversu ótrúlega miklu munar. Á myndinni er sýnd heildarútgeislun (lárétt og lóðrétt pólaðri), sneiðing eftir "fram-aftur"-stefnu bílsins þar sem fram er til vinstri og aftur til hægri.
Gufunes-netið
Þetta net sýnir ámóta útgeislunarmynstur og Hamstick-netið, en sýnu verra þó í afturstefnuna, sem það vegur svo upp með meiri útgeislun beint upp (skywave).
Heildartap í módelinu er -20.0 dB, sem er nánast sama heildarnýtni og í tilfelli Hamstick-netsins. Styrkur lóðrétt pólaðrar útgeislunar í 10° hæð er að meðaltali -20.7 dBi (frá -25.0 dBi til -17.3 dBi, sterkast í framstefnuna miðað við bílinn). Þetta gefur góða vísbendingu um frammistöðu Gufunesnetsins á jarðbylgju. Eins og með Hamstick-netið er lóðrétt pólun algerlega dóminerandi.
Til fróðleiks og samanburðar var einnig reynt að staðsetja Gufunesnetið á toppnum í stað þess að hafa það á stuðara bílsins – enda þótt það næði þá upp í 6.3 m hæð og yrði stórvarasamt vegna raflína! Fyrirfram var ljóst að við þetta myndi tap í jarðviðnámi minnka verulega, sem og stefnuvirkni og líklega einnig skermunarvirkni bílsins.
Það þarf ekki að orðlengja um að miklu munar á staðsetningunni, eins og neðangreind mynd ber með sér. Heildartap í módelinu með staðsetningu á toppi er -16.1 dB, eða 3.9 dB minna tap en með staðsetningu á stuðara – sem þýðir meira en tvöfalt betri nýtni!
Mynd 3: Gufunesnetið - samanburður á staðsetningu sama loftnetsins (á toppi eða á stuðara). Þótt ekki muni eins miklu og með mismunandi staðsetningu hins helmingi styttra Hamstick-nets, þá er munurinn samt töluverður. Á myndinni er sýnd heildarútgeislun (lárétt og lóðrétt pólaðri), sneiðing eftir "fram-aftur"-stefnu bílsins þar sem fram er til vinstri og aftur til hægri.
Long Wire-netið
Þetta net sýnir mjög jafna útgeislun í heildarsviðinu (lárétt og lóðrétt pólun saman).
Styrkur lóðrétt pólaðrar útgeislunar í 10° hæð er hins vegar mjög mismunandi - að meðaltali -24.2 dBi (frá -56.0 dBi til -17.5 dBi, sterkast í stefnu vírsins og þó 1 dB betur í afturstefnuna). Það er því líklega töluverð jarðbylgja frá svona vír, og meiri en maður hefði haldið.
Heildartap í módelinu er -16.7 dB, sem gefur Long Wire-netinu bestu nýtni allra þeirra loftneta sem prófuð voru – u.þ.b. tvöfalt betri (2.7 - 3.3 dB) en bæði verticalnetin.
Til fróðleiks má nefna að -3 dB "beamwidth" jarðbylgjunnar er um 90° í báðar áttir vírsins. Það er því alls ekki krítískt að vírinn stefni nákvæmlega rétt á þann stað sem maður hyggst eiga samskipti við á jarðbylgju; það nægir líklega að vera ±45° á rétta stefnu ef maður nær sambandi á annað borð.
Samanburður
Heildarsvið: Skywave og DX
Þegar heildarútgeislunarsvið (lárétt plús lóðrétt pólun) er teiknuð upp í samanburðargrafi, kemur í ljós að LW-netið hefur vinninginn þegar kemur að skywave: Það er allt að 15-20 dB betra en báðir verticalarnir á bröttum hornum, og munar um minna.
Fyrir bæði verticalnetin gildir þó að það er stórum mun betra fyrir skywave að snúa framenda bílsins í áttina að þeim stað sem maður vill endurvarpa niður til, með þessari staðsetningu loftneta (þ.e. aftarlega á bílnum): Á þann hátt verður e.t.v. ekki nema 5-10 dB lakara merki á áfangastað með vertical en með LW-netinu.
Hafa ber í huga að spóluviðnám í verticalnetunum hefur "flöt" áhrif á heildarnýtni þeirra, og ef þetta tap væri minna stæðu þau sig þeim mun betur í samanburðinum.
Þá má nefna að Gufunesnetið hefur nokkrum dB lakari útgeislun til hægri en til vinstri, enda er það staðsett hægra megin á afturstuðara.
Mynd 4: Fram-aftur - samanburður á heildarútgeislun (lárétt og lóðrétt pólaðri), sneiðing eftir "fram-aftur"-stefnu bílsins þar sem fram er til vinstri og aftur til hægri.
Mynd 5: Vinstri-hægri - samanburður á heildarútgeislun (lárétt og lóðrétt pólaðri), sneiðing eftir "vinstri-hægri"-stefnu bílsins.
Svipuð mynd blasir við þegar skoðað er hringmynd (azimuth plot) - hér sneiðing gegnum 10° útgeislunarhorn:
Lóðréttu netin eru jöfn í framstefnuna, en Hamstick-netið skýtur Gufunes-netinu vel aftur fyrir sig í afturstefnuna, rúmum 6 dB sterkara þar sem mest er, og meira en 3 dB sterkara í 140° þar í kring. Þetta er í takt við stefnuvirkni vertikals með einum radíal, sem helgast af tapi af jarðleiðni í afturstefnuna, þar sem Gufunes-netið er staðsett alveg aftast á bílnum.
Þá gæti verið að nálægð við bílinn (skermun) truflaði útgeislun frá straumhámarkshluta Gufunesnetsins í framstefnuna fyrst það er ekki mun sterkara en Hamstick-netið í þessa stefnu þrátt fyrir að vera lengra og með minna tapi í spólu. Líklega er það þó aðallega fjarlægð þess frá jörð sem veldur tapi, enda heildartap í módelinu af Gufunesnetinu ögn hærra en af Hamstick-netinu þrátt fyrir meiri "gæði" hins fyrrnefnda.
LW-netið heldur mjög vel sjó allan hringinn með samsetningu af lárétt og lóðrétt pólaðri útgeislun, og er raunar öflugara en bæði verticalnetin í um þriðjung úr hringi kringum "afturstefnuna". DX-möguleikar svona jarðlægs vírs koma því nokkuð á óvart, en þess ber að minnast að hann er þrátt fyrir allt kvartbylgja á 80 metrunum meðan Hamstick-netið er aðeins 1/30 ?.
Mynd 6: Samanburður á heildarútgeislun (lárétt og lóðrétt pólaðri) frá öllum netunum, séð ofanfrá, sneiðing gegnum 10° útgeislunarhorn (elevation). Framendi bílsins er til vinstri á grafinu.
Lóðrétt svið: Jarðbylgja
Það er aðeins lóðrétt pólaði hluti sviðsins sem gefur jarðbylgju sem dregur eitthvað að ráði, því hin lárétt pólaða bylgja dofnar mjög hratt í jörðinni. Líkt og áður er hér skoðað 10° útgeislunarhorn yfir láréttu, og hlutfallslegur sviðsstyrkur í dB teiknaður inn á neðangreint graf.
Ferlarnir fyrir vertikalnetin tvö eru í öllu praktísku tilliti eins og þeir eru fyrir heildarsviðið (enda nánast eingöngu lóðrétt póluð útgeislun frá þeim), en LW-netið hegðar sér allt öðruvísi eins og áður var greint. Á myndinni sést glögglega hversu vel það stendur sig á jarðbylgju í fram- og þó sér í lagi í afturstefnuna, og kann þetta að koma mörgum á óvart:
Mynd 7: Groundwave - samanburður á lóðrétt pólaðri útgeislun frá öllum netunum, séð ofanfrá, sneiðing gegnum 10° útgeislunarhorn. Framendi bílsins er til vinstri á grafinu. Þetta gefur góða vísbendingu um hlutfallslegan styrk jarðbylgju frá netunum þremur.
Heildarmat
Það er mat mitt eftir að hafa í framangreindu skoðað staðsetningu og eiginleika mismunandi HF-bílneta að eftirfarandi atriði skipti mestu máli um góða nýtni:
- Fjarlægð frá jörð: Þetta er mikilvægasti þátturinn að því tilskildu að sæmilegt ground plane (sbr. næsta punkt) sé til staðar. Nýtni (geislunarviðnám) ground-plane loftnets (þ.m.t. nets sem fest er á bíl) er í hlutfalli við 1/h2, þar sem h er hæð frá jörð. Það er þvi til mikils að vinna að auka hæðina!
- Gott ground plane: Næstmikilvægast er að hafa eins mikinn málm beint undir og nálægt loftnetinu og mögulegt er. Einnig hér gildir að langmestu skiptir það sem er næst botni netsins, þ.e. að það er mikið til vinnandi að geta staðsett loftnet á miðju bílsins.
- Gæði spólu: Þriðja í mikilvægisröðinni er hátt Q og þar með lágt tapsviðnám í spólu.
Þá tel ég eftirfarandi atriði hafa mest að segja um gott útgeislunarmynstur:
- Lágmörkun á skermun: Mikilvægast er talið að ekki sé mikill málmur (sem jörð) í skermunarafstöðu (samsíða) við loftnetið. Þetta virðist draga ótrúlega mikið úr útgeislun frá þeim hluta loftnetsins sem skermast.
- Symmetrískt mótvægi: Næstmikilvægast er talið að mótvægi við vertikal sé eins symmetrískt og hægt er til að forðast allt of mikla stefnuvirkni í "átt mesta málms", sem getur verið til verulegra trafala í fjarskiptum á akstri. Þó má láta slíka stefnuvirkni vinna með manni ef hægt er að "miða" á þann stað sem senda á til.
- Endurkast frá jörð: Fyrir skywave má fá allnokkur dB aukalega undir bröttu horni með þvi að tryggja lóðrétt endurvarp frá jörð, t.d. með því að nota Long Wire-net, eða með því að sveigja verticalnet frá lóðréttu.
Þótt ég hafi sjálfur ekki haft tök á að bera saman allar þessar gerðir loftneta á mínum eigin bíl, þá hef ég prófað bæði Hamstick-útgáfuna og Long Wire-netið. Hið fyrrnefnda hefur staðið undir öllum kröfum um sterkt merki í allar áttir, meðan hið síðarnefnda hefur sannað sig bæði á skywave og jarðbylgju á mjög sannfærandi hátt – jafnvel á akstri yfir stokka og steina, ef autotjúnerinn er stilltur á handvirka tjúningu.
Þó er ekki hægt að mæla með öðru við sérhvern jeppamann en að hafa tiltækt tjúnað Long Wire-net til notkunar á 80 metrunum. Slíkt net virðist vera öruggasti kosturinn ef í harðbakkann slær.
Það væri að sönnu gaman að gera mælingar á sviðsstyrk frá þremur bílum með þremur mismumandi loftnetum sem eftirfylgni við þessa fræðilegu úttekt!
|
