1959 veröffentlichte Nr. 4 des Radiomagazins einen wegweisenden Artikel des Fernsehbegeisterten Sergei Kuzmich Sotnikov über die Verwendung von Doppel- und Dreifachquadratantennen für den Fernfernsehempfang auf MV (und später auf UHF).
Die erklärten phänomenalen Eigenschaften von 10-12 dBi für ein Doppelquadrat und 16-17 dBi für ein Dreifachquadrat erregten die Köpfe der sowjetischen Amateurgemeinschaft und bestimmten jahrzehntelang den großen Erfolg solcher Antennen auf MV und UHF: Beschreibungen dieser Antennen wanderten von Buch zu Buch, von Magazin zu Magazin . Tausende Sowjetbürger wiederholten sie.
Obwohl diese Eigenschaften stark überschätzt werden, basieren sie immer noch auf Veröffentlichungen seriöser Forscher: Sam Leslie (W5DQV, Veröffentlichung von 1955), Dick Beard (G4ZU), Rothamel (in Bezug auf Leslie und Beard).
1962 veröffentlichte Vladimir Pavlovich Sheiko-Vvedensky (UB5CI) im DOSAAF-Verlag ein Buch „Antennen für Amateurfunkstationen“, das auch Verweise auf 13 dBi von einem Doppelquadrat enthält.
Eine große Fülle maßgeblicher Quellen stellte fest, dass die grundlegend falschen Schlussfolgerungen von Sotnikov auch 2018 populär sind.
Versuchen wir herauszufinden, wo die Wahrheit hier an Scherz grenzt.
Im Buch Rothammel (Krenkel-Übersetzung von 1967) werden HF-Antennen mit einer Reichweite von 20, 15 und 10 Metern (14, 21 und 30 MHz) berücksichtigt.
In Bezug auf die Schinkenbegeisterten von Sam Leslie (Oklahoma, W5DQV, Veröffentlichung der Ergebnisse umfangreicher Experimente mit Quadraten von 1955) und Dick Beard (G4ZU, England) wird argumentiert, dass die Doppelquadratantennen in diesen Bereichen eine Richtwirkung von 10 bis 13 dBi (8 bis 11) haben dBd)
Die Simulation in 4NEC2 mit Masse (Sommerfeld-Norton Real-Earth-Modus) bestätigt diese Beobachtungen vollständig: Bei mäßiger Erdleitfähigkeit erhalten Sie 12,4 dBi und bei perfektem Leiter 13,8 dBi bei einer Antennenaufhängungshöhe von 1λ.
Es ist zu beachten, dass in den Experimenten von Leslie und Beard der dBd nicht in Bezug auf den tatsächlich konstruierten Dipol gemessen wurde, sondern indem die Feldstärke in einer bestimmten Entfernung bei einer bekannten Leistung in der TX-Antenne gemessen und die gemessene Stärke mit der berechneten unter Verwendung der Friis-Formel verglichen wurde.
Tatsache ist, dass der übliche Hertz-Dipol mit 2,13 dBi und einer Aufhängungshöhe von 1 λ auf dem HF einen Bilobatstrahl mit maximal 8,2 dBi bildet. Das heißt, Der Dipol selbst hat aufgrund der Erde einen Vorteil gegenüber sich selbst von 6,1 dBd
Die Messungen von Leslie und Beard beziehen sich auf den imaginären Dipol von 2,13 dBi und nicht auf das Umschalten der Doppelquadratantenne und des Dipols.
Der 2-Element-Wellenkanal (Reflektor + Vibrator) weist ebenfalls ein nahezu identisches "Doppelquadrat" -Strahlungsmuster auf: 11,8 dBi bei einer Antennenaufhängungshöhe von 1 λ bei mäßiger Leitfähigkeit. Die Form der Haupt- und 3 Nebenkeulen ist fast identisch mit dem doppelten quadratischen Boden.
Da sich auf HF keine Antennen im freien Raum befinden, sind die Methodik und die erhaltenen Daten vollständig relevant und haben praktische Anwendung. Es ist nicht möglich, diese Antennen im freien Raum auf HF zu messen.
Die Simulation in 4NEC2 ergibt 7,73 dBi für ein Doppelquadrat und 6,95 dBi für einen 2-Element-Wellenkanal.
1962 veröffentlichte Vladimir Pavlovich Sheiko-Vvedensky (UB5CI), ein Amateurfunker aus Charkow, das Buch Antennen für Amateurfunkstationen im DOSAAF-Verlag. In dieser Antenne wird das "Doppelquadrat" im Kapitel "HF-Antennen" beschrieben. Sheiko gibt eine völlig korrekte Beschreibung des Funktionsprinzips - "ein System von zwei phasenverschobenen angeregten Viertelwellen-Horizontalemittern".
Die Größen und Versorgungsmethoden für die Bereiche 20, 15 und 10 Meter (14, 21 und 30 MHz) sind angegeben.
Im Kapitel „UKW-Antennen“ erwähnt Sheiko solche Antennen, obwohl er sie nicht empfiehlt. Sheiko sagt über die gerichteten Eigenschaften: „Die folgenden Daten zur Verstärkung von Rahmenantennen sind bekannt: ein Doppelquadrat - 9-11 dB (8-13 Mal), ein Dreifachquadrat 14-15 dB (25-32 Mal).
Wenn diese Daten für freien Speicherplatz angegeben werden, widersprechen sie den Daten im vorherigen Kapitel über HF-Antennen, da mit dem Boden viel mehr zu tun sein wird. Wenn diese Daten unter Berücksichtigung der Erde angegeben werden (Extrapolation der Ausrichtung auf HF), funktioniert die Erde bei UKW nicht als unendlicher
Flachleiter , wie in Goncharenkos Buch „
Kapitel 12.1.2 Erde bei UKW “ ausführlich beschrieben.
Genau wie Sheiko, drei Jahre zuvor im Jahr 1959, begeisterte sich Sergei Sotnikov.
Um die unglaubliche Richtwirkung einer solch einfachen Antenne irgendwie zu erklären, stellte Sotnikov die Hypothese auf, dass der Rahmenvibrator 4 Arbeitselemente hat und einem 2-stöckigen PAR aus 2-Element-Wellenkanälen entspricht.
Ein 2-stöckiger Scheinwerfer wird jedoch in Phase erregt - auf jeder Etage ist die aktuelle Richtung gleich. In der Rahmenantenne fließen auf verschiedenen Etagen Ströme phasenverschoben. Dies wird im Buch von Rothammel und Sheiko beschrieben und folgt aus einfachen Schlussfolgerungen: Die Länge der horizontalen und vertikalen Teile jedes Arms beträgt λ / 2, sodass der Strom im oberen Stockwerk gegenphasig fließt.
Ein Rahmenvibrator mit einem Umfang von 1 & lgr; hat eine nahezu isotrope Ausrichtung mit einer kleinen Verstärkung senkrecht zur Ebene und einer leichten Dämpfung zu den Seiten. Abhängig von der Form eines solchen Rahmens ändert sich seine Wellenimpedanz erheblich und die Richtwirkung ändert sich geringfügig.
Wenn der Rahmen so breit wie möglich ist und eine Mindesthöhe hat, erhalten wir einen Halbwellen-Pistolkors-Loop-Loop-Vibrator. Sein Widerstand ist maximal möglich und liegt nahe bei 300 Ohm. Der genaue Wert hängt von den Durchmessern der oberen und unteren Rohre ab. Die Richtwirkung beträgt wie beim geteilten Hertz-Dipol 2,13 dBi.
Mit einer Abnahme der Breite der Schleife und einer Zunahme der Höhe nimmt der Widerstand Ra ab und die Form des Musters ändert sich sehr geringfügig. Wenn die Breite gegen Null und die Höhe gegen λ / 2 tendiert, wird am Ende eine Übertragungsleitung mit der Länge λ / 2 kurzgeschlossen. Ra einer solchen Linie ist 0.
Abhängig vom Verhältnis von Höhe zu Breite und der Form des Rahmens können Sie Ra von 0 bis 300 Ohm erhalten. Bei einem quadratischen Rahmen mit einer Seitenlänge von λ / 4 beträgt der Widerstand etwa 135-140 Ohm, und der Strahl hat Maximalwerte vorwärts / rückwärts bei 3,48 dBi (1,35 dBd). Alle anderen Formen sind möglich - runder Rahmen, dreieckige, Hantel, Fallschirm und sogar unregelmäßige Formen.
Es gibt fast keine elektrischen Vorteile der einen oder anderen Form des 1λ-Rahmens. Ein Rahmen mit einer geringeren Breite hat einen strukturellen Vorteil - er ist mechanisch stärker mit einem kleineren Leiterquerschnitt als der Pistolkors-Vibrator. Bei HF ist es möglich, Quadrate aus einem dünnen flexiblen Draht herzustellen, indem man sie an Querstreben zieht. Es waren die mechanischen Vorteile und die Billigkeit, die die Beliebtheit von Quadraten in Kurzwellen im Vergleich zu Wellenkanälen bestimmten, die sehr ähnliche elektrische Eigenschaften aufweisen, aber leistungsstarke Rohre + Kreuzkopf + Dehnung erfordern, um lange Rohre aufrechtzuerhalten.
Zusätzlich zu wiederholt überschätzten Daten zur Richtwirkung von Quadraten auf UKW liefert Sotnikov falsche Daten sowohl hinsichtlich der Größe (sehr großer Resonanzschlupf) als auch hinsichtlich des Strahlungswiderstands und der Anpassung.
In den für den 12. Kanal MV (222-230 MHz) von einem 6 mm Stab angegebenen Abmessungen tritt Resonanz bei einer Frequenz von 242 MHz (HFSS) und 245 MHz (4NEC2) auf. Ra = 150 Ohm bzw. 167 Ohm.
Um eine solche Antenne an eine 75-Ohm-Übertragungsleitung anzuschließen, muss ein Ausgleichsanpassungsgerät (SSU, Balun) 2: 1 hergestellt werden. Bei Anschluss über einen 1: 1-Balun kann das SWR selbst bei einer Resonanzfrequenz nicht kleiner als 2 sein. Bei Frequenzen unterhalb der Resonanz fällt Ra stark ab und die negative (kapazitive) Reaktivität steigt an.
Bei einer Frequenz von 222 MHz ist KSV75 = 6,8 (NEC2) oder KSV75 = 8 (HFSS).
Ku bei einer Resonanzfrequenz von 7,19 dBi (HFSS) und 6,67 dBi (NEC2). Die Form der Haupt- und Nebenkeulen in verschiedenen Programmen ist nahezu identisch.
Größensimulationsergebnisse für Kanal 12 des MV in HFSS und 4NEC2
Schlussfolgerungen
- Ein Rahmenvibrator mit einem Umfang von 1 & lgr; beliebiger Form bildet sich nahe einem isotropen Strahlungsmuster. Es gibt eine leichte Verstärkung senkrecht zur Ebene des Rahmens - für eine Halbwellenschleife von 2,13 dBi und für einen quadratischen Rahmen von etwa 3,5 dBi.
- Wenn dem Rahmen ein Reflektor hinzugefügt wird, kann seine Richtwirkung für einen 2-Element-Wellenkanal auf 6,95 dBi oder für ein Doppelquadrat auf 7,73 dBi erhöht werden.
- Bei Frequenzen unter 50 MHz ändert das Platzieren einer Antenne in geringer Höhe über dem Boden (in Lambda-Einheiten) das resultierende Muster erheblich. 2,13 dBi Dipol wird zu 8,2 dBi, 6,95 dBi Wellenkanal wird zu 11,8 dBi, 7,73 dBi Doppelquadrat wird zu 12,4 dBi.
- Die von Leslie, Byrd, Rothammel und Sheiko beschriebenen Richtungsdaten beziehen sich auf niedrig hängende Antennen über dem Boden, zu denen fast alle HF-Antennen gehören.
- Sergei Sotnikov extrapolierte die Leistung von HF-Antennen auf ein Doppelquadrat auf UKW, warum dies nicht getan werden sollte - es ist in Kapitel 12.1.2 Erde auf UKW von Goncharenkos Buch geschrieben.
- Um eine so große Ausrichtung der Quadrate zu rechtfertigen, hat Sotnikov das Prinzip des Quadrats radikal umgeschrieben und es mit einem zweistöckigen PAR aus Halbwellendipolen und Wellenkanälen verglichen.
- Die tatsächliche Richtwirkung der Doppel- und Dreifachquadrate der Antennen (weniger als 1 dB) übersteigt die Richtwirkung von Wellenkanälen mit 2 und 3 Elementen.
- Die Doppelquadratwellenimpedanz (mit einem Abstand von 0,15 λ) liegt nahe bei 150 Ohm. Um mit 75 Ohm arbeiten zu können, benötigen Sie ein 2: 1-Sattelkupplungsrad und für 50 Ohm ein 3: 1-Sattelkupplungsrad. Beim Durcharbeiten von SSU 1: 1 kann das SWR bei der Resonanzfrequenz nicht <2 sein.
- Die Abmessungen der von Sotnikov angegebenen Antennen wurden mit einem signifikanten Resonanzschlupf und einem minimalen SWR berechnet. Die Antenne im Bereich von 222 bis 230 MHz hat also eine Resonanz von etwa 242 bis 245 MHz, und in ihrem Entwurfsbereich überschreitet der KSV75 7 bis 8.
- Wenn wir die überschätzten Schätzungen von 10-11 dBi verwerfen, kann die Antenne ziemlich betriebsbereit sein (wenn das Problem der Anpassung gelöst wird), 6,7 dBi bei UKW für das Fernsehen sind ein ziemlich anständiger Gewinn.
- Die Richtwirkung des Doppelquadrats entspricht nicht dem 5-Element-Wellenkanal. Eine industrielle Uda-Yagi-Antenne für 6-12 Kanäle (2-Rohr-Reflektor, Schleifenvibrator, 4 Direktoren) mit einer Länge von 1,35 Metern ergab eine Verstärkung von 8,6 dBi bei 174 MHz auf 10,9 dBi bei 230 MHz und eine einfache Anpassung bei 75 Ohm. Schmalbandiges (einkanaliges) Uda-Yagi mit gleicher Länge oder gleicher Anzahl von Elementen hat eine noch höhere Verstärkung.
Triple Square auf DMV TV (DVB-T2)
Auf Wunsch des
REPISOT- Benutzers werden
wir die Möglichkeit der Verwendung von quadratischen Antennen für den Dezimeterbereich der Fernsehübertragung analysieren.
Eine solche Antenne wird kommerziell unter dem Markennamen "Signal 3.0" hergestellt. Der beanspruchte Bereich für SWR <1,5 beträgt 470-862 MHz, Verstärkung bis zu 14 dB (16 dBi ??)
Wir werden eine vereinfachte Simulation in HFSS durchführen (ohne Kunststoffabstandshalter und ohne Abrundung der Ecken wird dadurch die Resonanzfrequenz geringfügig verschoben, aber wir sind jetzt nicht an den genauen Werten interessiert). Der Regie-Rahmen hat einen Spalt von 1 mm.
Wie erwartet hat die Antenne eine einzelne Resonanz (bei etwa 626 MHz), Ra = 150 Ohm. Wenn Sie eine 2: 1-SSD an ein 75-Ohm-Kabel anschließen, erhalten Sie auf diesem Kanal (ungefähr dem 40. Kanal) SWR = 1, und SWR <2 liegt im Bereich von 562 bis 737 MHz.
Unten ist die Reaktivität wie bei allen Quadraten sehr schnell, und auch Ra fällt sehr schnell ab. KSV150> 6 bereits bei 535 MHz und bei 470 MHz KSV150 = 35
Richtwirkung bei einer Resonanzfrequenz von 6,88 dBi, F / B = 12,77 dB
Es ist äußerst schwierig, eine 2: 1-SSU im UHF-Bereich herzustellen, daher hat der Hersteller es nicht einmal versucht.
Die Antenne ist mit dem gedruckten Äquivalent einer Halbwellenschleife ausgestattet, die wie ein 4: 1-Transformator funktioniert, jedoch nur, wenn die elektrische Länge der Schleife L / 2 beträgt. Eine solche SSU ist per Definition schmalbandig (einkanalig). Bei einer Last von 75 Ohm beträgt die Eingangsimpedanz dieser SSU 300 Ohm. Der Hersteller hat die Antenne jedoch mit einem 50-Ohm-Kabel ausgestattet (obwohl Fernseher und Tuner alle 75 Ohm haben). Vielleicht hat der Hersteller angenommen, dass 200 näher an 150 als 300 liegt, und um die Reflexion an der Grenze zu verringern, hat das Antennenkabel eine zusätzliche Reflexion an der Grenze des Kabelfernsehens gespendet.
Bei einer Last von 300 Ohm (Symmetrieplatinen oder Verstärker vom Typ SWA / PAE / ALN) hat die Antenne ein SWR von etwa 2 im Bereich von 616-750 MHz.
Bei einer Last von 75 Ohm (ein Viertelwellentransformator wie in Sotnikovs Schemata) ist die Antenne überall sehr inkonsistent, aber in einem engen Abschnitt von 577-608 MHz fällt das SWR auf 2 ab.
Vorwärtsstrahlung mit einem Pegel von 6,7 dBi speichert die Antenne 540 bis 860 MHz.
Bei einer Frequenz von 500 MHz fällt F / B auf 0 ab (und strahlt mit 5,2 dBi vorwärts und rückwärts)
Eine solche Antenne übersteigt hinsichtlich Herstellungskomplexität und Kosten den 3-Element-Wellenkanal Volna-1 mit einem Verkaufspreis von 3,5 USD
Und in elektrischen Eigenschaften verliert es erheblich an sie
