打蛋器II型LEO天线
 
                    作者:K5OE/Gerald R. Brown,翻译:BD4OS/高国强

  这里介绍一种高性能的圆极化全向天线,它易于制作,便于调谐,而且便宜,工作于所有的J方式低轨卫星。我通过互联网找到设计图制作了几个传统的打蛋器天线,但我并不满意它们的所有性能。这个设计是我通过改进原始打蛋器天线性能的一个试验结果,并力求保持它易于制作的特色。

背景:

打蛋器天线是一个使用圆极化的全向天线,可以最大地扑获来自低轨卫星的微弱信号。它基本上是两个全波矩形LOOP结构。在M2 Antennas公司有他的商业版本。在形式多变的家庭制作中采用90度的“相位调整”线来提供固定的右旋园极化(RHCP)。它也使用一对无源反射振子来调节过顶辐射波束图案。这样作的结果是使它成为一副“有增益的”天线,但这种增益是通过损失低角度接收的性能来达到的。对于水平方向它属于一副水平线性极化的天线。随着仰角的不断上升,它更多地表现出右旋园极化(RHCP)特性。

 
 


根据我的ONAIR观察,打蛋器天线反射振子引起的波瓣隆起提供了极好的顶部增益性能,随着进一步的试验,出现了“马铃薯捣碎器”天线(简称TPM,发表在1999年AMSAT的一月和二月份刊物,估计这哥们很喜欢做饭,天线全部使用厨房用具命名,值得我们学习),TPM通过重新修整环行振子为一个正方形并且将反射器安装在更靠近驱动振子的位置,从而改进了轴向增益性能。从那时到现在她一直都担当我主要的LEO天线,只是她已经不是一个全向天线了。

然而,如何改进打蛋器天线并作为一个全向天线呢?有几点需要特别提出,相对于直接的过顶路径,一个典型LEO卫星在30度仰角通过大概有6dB的自由空间损耗,另外加上6dB在地平面损耗。这意味着一个理想的全向天线从30度仰角到90度仰角之间应该具备-6dB的仰角辐射图案,以此来平衡30度仰角以下的地平面产生的6dB损耗,从而均衡不同仰角导致的信号强度差异。特别指出从地平面到30度仰角--这是你碰到的的大部分需要,而不是在过顶方向提供垂直高增益性能。

我思考这个设计问题(如何简单易制一个好的卫星全向天线),我阅读了1998年AA2TX在AMSAT研讨会上的论文(“一个接收J方式的全向天线,LEO卫星”)。托尼(AA2TX)提出了一个新颖而有效的设计并提出了一些很有启发意义观点,建议读一下。他的设计原型,可能对于一般的家庭作坊式加工有一定困难性。

设计:

如果你用原始的打蛋器作为起点,描述和理解这个改进设计是相当容易的,我们就称呼她为“打蛋器II”吧,在差异和背离方面,第一点区别是驱动单元不再使用一个圆形的振子。带之的是矩形振子。建模显示为什么原始的打蛋器天线SWR从来没有低于1.5:1,这是因为带有反射器的圆形振子的阻抗接近于90欧姆--太低了!我从一个正方形开始变换试图找出一个跟100欧姆相匹配的结构,并且是纯阻抗的100欧姆。对两个矩形环路进行合成(异相),合成的溃电点非常接近50欧姆而且没有电抗成分。这个天线在水平方向是水平线性极化而随着仰角的逐渐升高越来越表现出右旋圆极化(RHCP).

第二个主要的区别反射振子的位置,他们不在放置在通常的3/8波长距离,而是放在溃电单元下面稍大于1/2波长的位置,这种放置有利于将圆顶隆起的波瓣拖向水平方向,代替了原始打蛋器天线设计中将波瓣推向顶部。

 




 

 
自由空间仰角图(NEC4Win)清楚地描述了新设计对原始打蛋器天线的改进,注意两种天线45度仰角的增益几乎都是一样的,但是新设计在30度仰角比原始的打蛋器天线高出6dB的增益!而在15度仰角高出了大概10dB的增益!以上是自由空间的计算图,而实际的地面仰角图也是同样的结果。


 

注:以上两个地面仰角辐射图天线架高为10.5米

当然,作为交换,新天线在直接过顶(90度仰角)有-10dB的增益,不要担心那是故意设计成这样的,记住有6dB来自卫星路径损耗的减少和3dB来自改良的信号环行结构来作为卫星到达高仰角的补偿。多少机会卫星在75度仰角以上?不常有!而且在高仰角的逗留时间非常短。简而言之,你以非常小的代价来换取从15度仰角到直接过顶范围内一个几乎不变的信号强度。 


建造:

普通的一英寸直径PVC连接头和6-32号不锈钢螺钉。矩形环采用10号带绝缘层的铜线弯折成形,70厘米波段的矩形环按照17厘米宽21厘米高制作;70厘米波段的反射器按照33。5厘米长安装在驱动振子环下面33厘米处。2米的矩形环按照51厘米宽63厘米高制作;2米波段反射器按照100。5厘米长并安装在驱动振子环下面101厘米位置。我使用的是3/16英寸(大约半厘米直径)的铝棒作为两米的反射器。你也可以选用1/4英寸(大概6毫米多)的铜管来代替铝棒,如果使用铜管我建议采用黄铜管作为反射器,当然矩形环可能就只能采用紫铜了。。。

给出的这些尺寸是相当精确的,使用十号和十二号线将工作的非常好(只对70厘米波段天线),但是你制作过程中应该让矩形环尺寸稍大一点留有一定余地进行修剪以保证你得到理想的SWR值,十号线用在两米波段有些勉强,因此使用8号铝线应该不错,如果工作的不好你可以换一下试试。不像原始的打蛋器天线,这个新设计提供相当不错的SWR 1.05:1.

 

                                    

70厘米波段打蛋器-II型示意图(单位:厘米)     2米波段打蛋器-II型示意图(单位:厘米)



注:上表数据单位:英寸


我提出了一种测量矩形环阻抗的方法,直接并联两组溃电点,不需要连接移相线;直接在两个矩形环振子上连接50欧姆的馈线。这提供了一种巧妙的谐振点测试法,并且能避免移相/延迟线带来的阻抗影响。简单地将50欧姆同轴电缆的芯线连接在任意两个相邻的矩形环终端并且将同轴线的外层接在剩下的另外两个矩形环终端接点。 装好反射器,开始测试驻波,如果SWR大于1.5:1,进行下面的调整步骤:

-如果SWR在频率低端好一些,调整矩形环稍微小一点并且重新测试

-如果SWR在频率高端好一些,调整矩形环稍微大一点并且重新测试

反射器长度是相当敏感的,因此需要实际进行调整。而安装的上下距离要求并不十分精确,通过上下微调可以让SWR更加完美。

最后,连接上移相/延迟线。移相线采用RG-62(93欧姆,看下面的说明)同轴电缆制作。同轴电缆跟矩形环连接使用环形接线端子并通过6-32号不锈钢加垫(锯齿边弹性垫)螺钉引出PVC连接器,下面的图片是按照右旋圆极化(RHCP)连接的,如果需要LHCP或者两者切换可以联系我。70厘米波段的移相线是13.5厘米长而2米波段的移相线采用41.5厘米长。裁线的时候要大于计算值5厘米以便两边各有2.5厘米用于剥离绝缘层,向后剥离网状屏蔽层和芯线焊上接线环端子。移相线终端可以跟50欧姆的馈线(9913F或者相当的)公用一个环形接线端子,这样数来只需要四个接线端子环。



性能:

这个天线按照35度仰角来看,对于一个全向设计的天线来说表现相当不错,在水平方向5度以上仰角,FO-20的信号就开始活跃起来,在15度仰角,信号变得很强并且很清晰--没有加天线放大器并且使用了50英尺 长的馈线。信号一直很强并且到90度过顶期间获得大概3dB到-6dB的增益,我相信这得益于改进的环状辐射图。AO-27的信号非常难于扑捉加上水平极化在地平线位置有一定的损失。 因此使用天线放大器是必要的。有一次当AO-27到达15-20度仰角时我得到了很好的信号--相比于我原来的打蛋器-I型天线工作在30-35度仰角。我没有使用这个天线对PACSATS卫星进行过尝试,我在FO-29工作在JD模式时监听了 她的信号并且发现通过加装天线放大器能抄收到S3或者更好的信号。


户外日:

右边是如何在户外日使用的参考例子,总共需要三根10英尺长直径为一英寸的PVC管和两个一英寸的T型PVC连接器,我制作了这种天线放在我的车库中,他们属于轻量级并且便于运输和携带到FD(户外活动)的地方,一手一个。10英尺的管件单独存放可以在院子里面组装成天线。
我使用这种天线工作了很多次(1999)并且在每个LEO经过时都能建立QSO(除了RS-15,我使用我的AO-10天线作为上行)。FO-29相当容易,FO-20工作的很漂亮只是435.800-435.860之间过于拥挤,RS-13(方式A)表现不俗,但是AO-27就太可怜了,我没有在AO-27上建立一个QSO,并且我难于跟她工作。


137MHz WX卫星尺寸:

应EB5HDT/Miguel的请求,我按照比例转换尺寸到137MHz。矩形环应该使用8号线而反射器应该增加到1/4英寸粗。矩形环将采用54厘米宽66。5厘米高。反射器按照107厘米长距离上面的矩形环溃电点108厘米的距离。RG-62电缆为45厘米长(每端各加2。5厘米长)。我收到了很多来自这种天线制作者的成功报告。


RG-62同轴电缆:

这个93欧姆的电缆不像RG-8或者9913F那样常见,因为不易搞到,你也可以尝试使用75欧姆的电缆代替,比如RG-6,但是你不要期望能得到理想的SWR,对于2米上行你可能不会有什么明显的感觉,但是对于70厘米的下行,她的区别可能是能抄收还是不能抄收,我听说这种电缆在汽车音响的天线上用过也是RG-62,因此你可以到你当地的零部件销售商(或者沃儿玛)看看是否有便宜的带馈线的代用部件也算是一种好途径。我现在不能提供多余的RG-62电缆,但是你可以联系Dino,K6RIX,来看看他是否能提供一点给你。



RG-62电缆实物照片,注意采用架空结构。

 

 
 
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高国强/BD4OS

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