Yagiprojekti 2020

From PRK-wiki
(Redirected from Uudet antennit 2020)
Jump to: navigation, search

Toteutus

Tässä kappaleessa dokumentoidaan lopulliset suunnittelupäätökset ja rakennusvaiheessa olennainen tieto, jotta se on mahdollisimman helppo löytää. Perustelut, esillä olleet vaihtoehdot, teoria ja muut valintoihin johtaneet tekijät dokumentoidaan alempana erillisessä kappaleessa, johon tästä voidaan tarvittaessa linkata.


Materiaalihankinnat

Alumiinit

Alumiinit on tilattu ja saapuneet.

TODO: tähän se mitä nyt lopulta hankittiin

Stauffit

Tarvittavat stauffien lukumäärät hankintaa varten:

  • 6 mm putkeen 140 kpl
  • 8 mm putkeen 48 kpl
  • 12 mm putkeen 4 kpl

Tarkemmat perustelut: #Elementtien kiinnitys puomiin

Seuraavaksi on päätettävä, mistä stauffit hankitaan ja hankittava ne.

Syöttöpistelaatikko ja sen osat

pohdintaa: #Syöttöpiste


Rakentaminen

144 MHz yageja rakennetaan 4 kappaletta. 432 MHz yageja rakennetaan 5 kappaletta.

144 MHz yagin puomi

Puomin keskiosa on kokonainen 6 m pitkä 40x40 mm neliöputki. Molemmissa päissä on 1.5 m pitkä 35x35 mm neliöputki, joka on 0.3 m matkalta paksumman putken sisällä. Puomin kokonaispituus on täten 8.4 m.

Ohuemman puomin yläpuolen ulkopinta tulee paksumman puomin yläpuolen sisäpintaa vasten. Elementit lähellä päätyjä tulevat 3 mm muita matalammalle, mutta korotuspaloja niihin ei tarvita.


432 MHz yagin puomi

TODO: dokumentoi

144 MHz yagin elementtien mitat

TODO: puomikorjaus

432 MHz yagin elementtien mitat

TODO: puomikorjaus

144 MHz yagin syöttöpistelaatikko

TODO: dokumentoi

432 MHz yagin syöttöpistelaatikko

TODO: dokumentoi

Dualband-dipolit

TODO



Tarkempi dokumentaatio

Tässä osiossa kuvataan, miten yllä oleviin ratkaisuihin on päädytty ja mitä muita vaihtoehtoja on harkittu.

Osa taustoista on siirretty sivulle Antennikalusto#Antennit_remontin_j.C3.A4lkeen_.282021_alkaen.29


Stäkkäys

Antennien asennuksessa mastoon halutaan käyttää mahdollisuuksien mukaan vanhan asennuksen osia. Stäkkäykseen käytettävät pystyputket ovat noin 8 m (TBC) pitkiä, minkä perusteella on valittu stäkättävien yagien lukumäärät.

Antennien vaikutusta toisiinsa täytyy pitää silmällä. 2m antennit saattavat vaikuttaa 70cm antenneihin, koska elementeillä on resonanssi myös 70 cm paikkeilla. 70 cm antennien taas ei pitäisi juurikaan vaikuttaa 2m antenneihin. Tämänhetkisessä suunnitelmassa tällä ei ole merkitystä, sillä antennit tulevat eri puolille mastoa kauas toisistaan.


Antennivalinnat

144 MHz pitkät yagit (ensimmäinen ajatus. ei tehty näin)

G0KSC:n Plus2 LFA -sarjasta 14el Plus2 LFA. Kyseisen antennin suositeltu stäkkäysetäisyys on 4.1 m pystysuunnassa ja 4.2 m vaakasuunnassa.

2m antennista tehdään joko kaksikkoryhmä päällekkäin stäkättynä tai nelikkoryhmä 2x2 stäkissä siten, että 432 MHz yagit olisivat olleet toisella puolella samassa pystyputkessa.

Tätä ei päätetty tehdä seuraavista syistä:

  • Vaakasuuntainen stäkkäys vaatii antennien tuomisen melko lähelle mastoa, jolloin muut mastossa olevat antennit saattavat vuorovaikuttaa yagien kanssa
  • Olisi pitänyt miettiä vuorovaikutusta samassa pystyputkessa olevien 70 cm yagien kanssa
  • Puomin pituus oli hankalampi 6-metristen putkenpätkien tehokkaan hyödyntämisen kannalta
  • Heijastinelementti on rakenteeltaan monimutkaisempi

432 MHz pitkät yagit

70cm pitkien yagin mitoituksessa on pohjana G0KSC 30el LFA. 70cm LFA-mitoitukset on tosin saatavilla vain 1/4" (6.35 mm) paksuille elementeille, joten mittoja korjataan 6 mm putkea varten. 4nec2-simulaation mukaan skaalattu vastaa parhaiten alkuperäistä, kun jokaisesta elementistä tehdään 0.78 mm pidempi.

NEC-simulaation perusteella sopiva stäkkäysetäisyys on (TBD) m. Pystyputkeen mahtuu stäkkäämään 4 yagia päällekkäin.

Antennin suorituskyky laskee selvästi jyrkemmin bandin yläpuolella kuin alapuolella (TODO: käyrät tähän). Antennin keskitaajuutta voisi siis kenties skaalata hieman ylemmäs, etenkin koska Suomessa 70 cm bandin alapää on vähän ylempänä kuin monissa muissa maissa. Skaalauksen pitäisi toimia, jos se tehdään samassa suhteessa kaikille mitoille: elementtien pituudet, sijainnit ja paksuudet. Paksuuttahan joudutaan joka tapauksessa korjaamaan. TODO: skaalauksen määrä, varmaan joku 0.5-1 %

2m vaihtoehtoinen ehdotus (tehdäänkin näin)

Materiaalitarpeita laskiessa 30el-432MHz-LFA:n 8.2 metrin puomin pituus osoittautui siinä mielessä hyväksi, että 6 metrin putkista saadaan puomit juuri sopivasti ilman hukkapaloja. Vaihtoehtoinen 144 MHz yagi melkein samalla puomin pituudella olisi 13el 144 MHz LFA.

Antennissa on 12 kpl 8 mm paksuja elementtejä, joten yhteen antenniin riittää tasan kaksi 6 m pätkää 8 mm elementtimateriaalia. Syöttö on 12 mm putkea, joten siihen voidaan käyttää samoja materiaaleja kuin 432 MHz yageihin.

Antennin vahvistus on 0.6 dB vähemmän kuin 14+2-elementtisen. Siten myös pystysuuntainen stäkkäysetäisyys on hieman pienempi, 3.9 m. Tämä kuitenkin tarkoittaa, että yhteen 8-metriseen pystyputkeen on ehkä mahdollista stäkätä kolme yagia, jolloin saadaan noin 1.7 dB enemmän verrattuna kaksikkoon (ja 1.2 dB vähemmän verrattuna nelikkoon).

Jos mitään antenneja ei stäkätä vaakasuunnassa, pystyputkien vaakasuuntainen etäisyys mastosta ei ole kriittinen. Tällöin pystyputket voisi sijoittaa hieman kauemmas (esim. 3 m päähän) mastosta, jolloin masto saadaan kunnolla antennien apertuurien ulkopuolelle. Myös vaakasuuntainen keilanleveys on leveämpi, mikä helpottanee käyttöä.

Antennin rakenne on yksinkertaisempi, koska siinä on vain yksi tavallinen heijastin. Tämä näkyy hieman huonompana etu-takasuhteena, mutta se on silti parhaimmillaan 28 dB.


Antennien rakentaminen

Materiaalimäärät mitoitetaan siten, että kerholle saadaan 4 kutakin antennia ja samoista materiaaleista Jounille 2 kutakin antennia.

Alumiiniputkitarpeet

144 MHz antenneja rakennetaan 4 kpl (3 kerholle, 1 Jounille). 432 MHz antenneja rakennetaan 5 kpl (4 kerholle, 1 Jounille). Dualband-pystydipoleja rakennetaan kerholle ainakin 4 kpl.

Puomit

Kuhunkin antenniin tulee siis keskelle kokonainen 6-metrinen pätkä paksumpaa puomimateriaalia. Kuhunkin päähän tulee 1.5-metrinen pätkä ohuempaa puomimateriaalia, eli 3 metriä per antenni, eli yhdestä 6-metrisestä pätkästä riittää 4 kpl 1.5-metristä pätkää eli tarpeet kahteen antenniin.

Yageista ylijääviä materiaaleja käytetään dualband-pystydipoleihin.

6-metrisiä pätkiä tarvitaan siis:

  • 9 kpl 40 mm neliöputkea 2 mm seinämällä
  • 5 kpl 35 mm neliöputkea 2 mm seinämällä (josta ylijäävä 3 m käytetään dualband-pystydipolien kiinnitykseen)
  • 1 kpl 3 mm paksua 30 mm leveää alumiinilattaa (korotuspaloihin)

Elementit

6-metrisiä pätkiä tarvitaan:

  • 7 kpl 6 mm (tai 6.35 mm) pyöreää putkea (432 MHz antenneihin)
  • 8 kpl 8 mm pyöreää putkea (144 MHz antenneihin)
  • 3 kpl 12 mm pyöreää putkea (Riittää sekä 144 MHz että 432 MHz antennien syöttöihin, kolmas putki dualband-pystydipoleihin)
  • 1 kpl 10 mm pyöreää putkea (Riittää sekä 144 MHz että 432 MHz antennien syöttöjen taivutettuun osaan)

Laskelmat: File:Antennien-elementit-144MHz-4kpl.ods, File:Antennien-elementit-432MHz-5kpl.ods

Elementtien kiinnitys puomiin

Jouni on kysellyt kokemuksia samanlaisesta 2 m antennista: 

kysyin Egililtä kokemuksia LFA-yagien rakentamisesta, ja tällaista hän vastasi:
Hello Jouni,

Very Nice to hear from You.
Yes I have built this antennas for 2 m and if You are following the
desciption this antenna is very easy to match for good SWR.
The first antenna we built had selfmade insulators in white POM.
The second antenna we buy the insulators from G0KSC, we could not see any diffrence in construction, every measurement was as
the first time.  For blending the tubes at the dipole IT works fine with a not expensive brake tube bender. I bought mine at Biltema.
This is a good choice of antenna, IT works great and is very easy to repair if something is happening with the elements or the coax feedpoint.
Good lukk with the construction!
Best 73` s
Egil, LA8AV


Stauffit on hyviä pyöreille putkille, noissa kuvissa näkyy jotain vissiin omatekoisia eristepalikoita

Sopivia eristimiä on myynnissä: https://www.huuto.net/kohteet/yagi-eristimia-eli-stauffeja-postitettuna/518488449

Ostetaanko näitä vai jotain muuta?


Julkisesti hinnoiteltuja Stauffeja IKH:lta:

30-el antenni ei tarvi stauffeja syötölle eikä ekalle suuntaajalle. Tarvitaan siis 28 kpl 6 mm putkelle sopivia per antenni.

13-el antenni tarvii yhden stauffin per syöttö ja kaikille suuntaajille. Tarvitaan siis 12 kpl 8 mm putkelle sopivia ja 1 kpl 12 mm putkelle sopivia per antenni.

Syöttöpiste

Syöttöpisteeseen täytyy tehdä säänkestävä liitos koaksiaalista elementtiin. Syöttönä käytetyn kokoaallon silmukan yhteismuotoinen impedanssi on korkea, joten sen kanssa balun ei ole kovin kriittinen. Tatu perehtyy balun-vaihtoehtoihin.

Syöttöpisteeseen laitetaan sähköasennusboksi, johon tuodaan kaapeliläpivienneillä elementtiputket ja koaksiaali. Koaksiaali jatkuu puomin keskelle ja vähän yli, jolloin liitin tulee helpompaan paikkaan asennusta varten.

Osat (2m, DE2):

Osat (70cm, DE1+DE2+D1):

Kaapelin kiinnitys puomiin (alapuolelta):


Elementtien pituuskorjaukset (puomin vaikutus)

Vaikka elementti on eristetty puomista, paksu johtava puomi lähellä elementtia vaikuttaa sen resonanssitaajuuteen. Elementtien pituuksia pitää mahdollisesti korjata tämän takia. Lähteitä: [1]

Pituuskorjaukselle löytyy joitain taulukoita ja karkeita laskukaavoja, mutta juuri tälle puomin paksuuden ja stauffin yhdistelmälle ei ole vielä löytynyt.

Vaikutusta on yritetty simuloida. Jaakko kokeili CST:llä 2 m tapausta: 

12:39:37< DImeeba^> tollasilla palikoilla tässä pseudoantennissa resonanssi nousis 145.7 -> 147.4 MHz
12:39:59< DImeeba^> oletin materiaaliks ptfe

(Materiaalin permittiivisyydellä ei ole suurta merkitystä, koska keskellä elementtiä vaikutus perustuu pääasiassa magneettikenttään.)

Tatu kokeili simuloida samaa 4nec2:lla mallintaen puomia tiheänä verkkona johtimia. Resonanssitaajuuden nousuksi tuli 1.3 MHz (Jaakon CST-mallissa 1.7 MHz). Resonanssia tarkasteltiin tässä NEC-mallissa yksittäisen elementin syöttöpisteen impedanssin kautta. Jotta puomi ei vaikuttaisi syöttöpisteeseen itseensä, oli syöttöpiste hieman sivussa elementin keskikohdasta ja toisella puolella symmetrisesti toinen samanlainen syöttöpiste. Parempi malli voisi olla tarkastella Yagin suuntakuvion muutosta taajuuden funktiona, koska se on se, mikä kuitenkin oikeasti kiinnostaa eniten.

Tarvitaanko korotuspaloja oikeasti?

Puolin yläpinta päätyosissa on 3 mm keskiosaa matalammalla, koska puomi kasataan eripaksusuista putkista. Jotta kaikki elementit pysyisivät samassa tasossa, ohuemmalla osuudella elementit pitäisi korottaa kauemmas puomista 3 mm paksuilla korotuspaloilla (alumiinilattaa) stauffien alla.

Korotuspalan huono puoli on, että sen kontakti puomiin ei välttämättä ole luotettava (ellei sitä hitsata). Puomi tai korotuspala ei ole suoraan osa elementtiä, mutta vaikuttaa etenkin 70 cm yageissa merkittävästi elementin resonanssitaajuuteen. Huono kontakti puomissa saattaisi siten aiheuttaa häviöitä ja resonanssitaajuuden vaihteluita vähän samalla tavalla kuin huono kontakti elementistä puomiin.

Simuloitiin, paljonko 3 mm korkeusero elementeissä vaikuttaa. Vaikutus osoittautui mitättömäksi. Ei siis laiteta korotuspaloja.

70 cm yagien simuloinnista:

Korotuspaloja tuskin tarvitaan2.png

2m yagin simuloinnit ja mitoitus

2m 13el LFA gain.png

2m 13el LFA SWR.png

Simulaatiotiedosto: 2m_1.nec jaa eipäs tänne voikaan uploadata noita, no olkoon.

Näiden käyrien perusteella antennin mitoitus on juuri 144-146 MHz bandille sopiva sellaisenaan. Antenni saattaa olla käyttökelpoinen myös bandin alapuolella.

Puomin vaikutusta simulaatioissa ei ole huomioitu, eli pituuskorjaukset on vielä tehtävä mittoihin.

Stäkkäys

G0KSC suosittelee 3.9 m etäisyyttä, ja se vaikuttaa ihan hyvältä.

70 cm yagin simuloinnit ja mitoitus

70 cm yagien simuloitu vahvistus alkuperäisillä mitoilla:

Yagi70 0.png

70 cm yagien simuloitu vahvistus alkuperäisillä mitoilla, keskiosan elementit 3 mm korkeammalla eli rakennettuna ilman korotuspaloja:

Yagi70 1.png

Eri tasossa olevat elementit eivät juurikaan vaikuta, eli korotuspaloja tuskin tarvitaan. Huomaa, miten jyrkästi suorituskyky laskee bandin yläpäässä, mutta on melko hyvä vielä kaukana bandin alapuolella.

Tämän takia voisi olla järkevää skaalata antennia taajuudessa melko paljonkin ylemmäs. Etu-takasuhteessa on paikallinen maksimi myös vähän alempana, ja noin 2.5 % skaalauksella se saadaan bandin alapäähän.

Mitä jos skaalais -2.5 %

70 cm yagien simuloitu vahvistus skaalattuna 2.5 % pienemmäksi, eli taajuudessa 2.56 % ylemmäs:

Yagi70 2.png

70 cm yagien simuloitu vahvistus skaalattuna 2.5 % pienemmäksi. Elementtien paksuus on vaihdettu 6 mm:n ja kompensoitu lisäämällä kaikkien pituuksiin 0.6 mm:

Yagi70 3.png

Näyttää aika hyvältä. Bonuksena antennilla on nyt täysi vahvistus vielä 446 MHz:lla, eli sitä voi käyttää myös PMR-puhelimien DX-kuunteluun 😛

Vielä suuntakuvioiden vertailu.

Yagi70 vertailu432.png

Bandin alapäässä alkuperäinen mitoitus on hieman parempi.

Yagi70 vertailu438.png

Mutta bandin yläpäässä alkuperäinen ei toimi enää oikein mitenkään, kun taas skaalattu on vielä ihan hyvä. Vertailuksi vielä bandin keskikohdassa:

Yagi70 vertailu435.png

Vahvistus kylläkin tippuu ja sivukeilat nousevat bandin alapäässä. Pitäisiköhän sittenkin skaalata vähän vähemmän, vaikkapa -1 %?

Mitä jos skaalais -1 %

70 cm yagien simuloitu vahvistus skaalattuna 1 % pienemmäksi, eli taajuudessa 1 % ylemmäs:

Yagi70 4.png

70 cm yagien simuloitu vahvistus skaalattuna 1 % pienemmäksi. Elementtien paksuus on vaihdettu 6 mm:n ja kompensoitu lisäämällä kaikkien pituuksiin 0.7 mm:

Yagi70 5.png

Suuntakuviot:

  • Punainen: alkuperäinen
  • Vihreä: -2.5%
  • Sininen: -1%
  • Violetti: -1%, 6mm elementit

Yagi70 vertailu2 432.png

Yagi70 vertailu2 438.png

Yagi70 vertailu2 435.png

Ehkä tää oiskin parempi.

Stäkkäys

Sopiva etäisyys näyttää olevan 2.4 tai 2.5 m, mutta oikeastaan mikä tahansa väliltä 2.2-2.8 m käy.

Seuraavaksi

Tähän päälle pitää vielä kompensoida puomin vaikutus elementtipituuteen. Jos varmasti tarkkaa korjausarvoa ei löydy, niin lienee parempi mitoittaa korjaus vähän alakanttiin kuin yläkanttiin, koska suorituskyky laskee bandin yläpuolella jyrkemmin kuin alapuolella. Toisin sanottuna kannattaa saada elementtien resonanssit mieluummin hieman liian korkealle taajuudelle kuin liian matalalle, eli elementeistä mieluummin hieman liian lyhyitä kuin liian pitkiä.

Retrieved from "https://prkele.prk.tky.fi/w/index.php?title=Yagiprojekti_2020&oldid=2066"