mandag 28. november 2016

Utstråling og polarisasjon på en invertert V-antenne.


Beskrivelse av antennen.

Den inverterte V-antennen er godt kjent av de fleste, det er rett og slett bare en halvbølgedipol som er hengt opp i ett punkt i midten med hver legg skrånende ned mot bakken. Typisk er vinkelen mellom hver legg mellom 90° og 150° avhengig av hvor høyt man kan få hengt opp antennen. Vinkler mellom 100° og 120° gir typisk lavest SWR ved bruk av 50Ω koaksialkabel.
Figur 1: Invertert V halvbølgedipol. Lengden L i meter ≈ 300/frekvensen i MHz.

Gamle myter og halvsannheter.

Som de fleste antenner er også den inverterte V-antennen omgitt av myter, ofte kan man for eksempel høre følgende «En horisontal halvbølgedipol har bare horisontal polarisasjon, mens en invertert V-antenne har både horisontal og vertikal polarisasjon.» Og at: «En vertikal polarisasjon vil generelt være bedre for lave utstrålingsvinkler og for DX.» Dessverre er begge påstandene feil, men typiske eksempler på noen av mytene omkring antenner.  De kan virke logiske første gang man får påstandene servert, men dersom man går i dybden og undersøker hvordan ting egentlig forholder seg oppdager man at sannheten er annerledes. Ofte skyldes mytene en blanding av misforståelser og overforenklinger. I praksis ser det jo ut til å fungere, så hva er da problemet? Problemet er at man ofte ender opp med ett antennesystem som ikke fungerer så godt som det kunne ha gjort fordi man har gjort noen feilprioriteringer når man satte opp antennen basert på feilaktige myter. Hadde man prioritert annerledes kunne man fått til en enda bedre antenne.

Polarisasjon og ionosfærisk propagasjon.

For å ta det siste først, er det slik at vertikal polarisasjon er mer gunstig for DX enn horisontal polarisasjon? Nei, det er ikke slik at vertikal polarisasjon er bedre egnet for DX enn horisontal polarisasjon. Både horisontal og vertikal polarisasjon er en form for lineær polarisasjon, og når lineær polarisasjon blir avbøyd i ionosfæren blir radiosignalet vridd og vrengt i ulik grad, og det man står igjen med er en form for elliptisk polarisasjon.  Fordi ett elliptisk polarisert radiosignal roterer spiller det ingen rolle hvorvidt mottakerantennen har samme lineære polarisasjon som senderantennen eller ikke, både vertikale og horisontale antenner kan brukes om hverandre på HF. Dette er i skarp kontrast til direkte-linje kommunikasjon på VHF og UHF, hvor polarisasjonen har stor betydning.
Av dette kan man lett bli forledet til å tro at det ikke spiller noen rolle hva slags polarisasjon man benytter på HF, men det er heller ikke riktig, for polarisasjonen spiller en rolle, og riktig polarisasjon kan ha en avgjøre betydning for hvorvidt QSO'en lar seg gjennomføre eller ikke.
Forvirret? Ja, det er ikke så rart. Men hittil har vi stort sett snakket om lineær polarisasjon, vi har så vidt nevnt elliptisk polarisasjon, elliptisk polarisasjon er en form for uregelmessig sirkulær polarisasjon, og sirkulær polarisasjon er den polarisasjonen som er å foretrekke på HF. Ett naturlig spørsmål å stille er derfor: Hvorfor brukes det ikke? Årsaken til at sirkulær polarisasjon knapt brukes er mange, en av årsakene er blant annet at et sirkulært polarisert signal kan dreie i to retninger, nemlig høyre og venstre, og man kan aldri vite hvilken retning som fungerer best, derfor må man ha en mulighet for å kunne skifte mellom venstrevridd og høyrevridd polarisasjon og dette gjør at antennesystemet blir noe mer komplisert.
De som er interessert i mer bakgrunnsinformasjon om dette fenomenet kan lese Eric Nichols (KL7AJ) artikkel «Gimme an X, Gimme an O» i desember 2010 nummeret av QST. (Artikkelen kan lastes ned fra ARRL's hjemmeside.) Til de som ønsker å gå enda mer i dybden kan jeg anbefale Eric Nichols (KL7AJ) glimrende bok «Propagation and Radio Science». Eric Nichols er bosatt i Alaska og omtaler mye av problematikken med HF propagasjon som vi også opplever her i Norge.

Utstrålingsvinkelen.

Utstrålingsvinkelen til antennen er viktig, det sier seg selv, man ønsker at antennen skal ha maksimal utstråling i den retningen som gir best forbindelse med motstasjonen. Men akkurat hvilken retning det er kan derimot være vanskelig å finne ut av. Ved innenlands kontakter på 80 m er det rimelig greit, over oss ligger ionosfæren, i ionosfæren ligger F-laget som bøyer av radiosignaler i forskjellig grad avhengig av frekvensen og den inngående vinkelen. Kraftigst avbøyning får man dersom radiosignalet treffer F-laget med en vinkel på 90° forutsatt at frekvensen er lav nok til å bli bøyd av, er frekvensen for høy går den rett igjennom ionosfæren og forsvinner ut i verdensrommet. Men ionosfæren er ikke så enkel å ha med å gjøre likevel, for dersom frekvensen er for lav vil D-laget i ionosfæren dempe det inngående radiosignalet, derfor må man velge en frekvens som er så høy at den bli minimalt dempet av D-laget og lav nok til å bli avbøyd av F-laget. I praksis fungerer derfor 80 m og 60 m best til innenlands kontakter på HF.  En gunstig antenne for innenlands kontakter er derfor en antenne som har maksimal utstråling rett oppover. Eksempler på slike antenner er halvbølgedipoler som henger lavere enn en kvart bølgelengde, (altså ca. 20 m for 80 m antenner) eller invertert V-antenner med en gjennomsnittshøyde lavere enn en kvart bølgelengde (altså ca. 20 m for 80 m antenner).
Ønsker man langdistanse kontakter er det litt mer komplisert, da må radiosignalet treffe F-laget med så liten vinkel som mulig fordi det er det som gir den lengste mulige avstanden mellom senderantennen og F-laget, og følgelig også mellom F-laget og mottakerantennen. For å få til dette må vi sende radiosignalet med en lav utstrålingsvinkel. Eksempler på slike antenner er halvbølgedipoler som henger høyere enn en halv bølgelengde, (altså ca. 40 m for 80 m antenner, eller ca. 10 m for 20 m antenner) eller vertikale antenner som er kortere enn 5/8 bølgelengde (altså ca. 50 m for 80 m antenner, eller ca. 13 m for 20 m antenner).
Det ovenfor er godt kjent, lav utstrålingsvinkel for DX, og høy utstrålingsvinkel for innenlandskontakter, det som derimot ikke er like godt kjent er at lagene i ionosfæren av og til er skråstilt, eller altså tiltet, og at denne tiltingen øker jo nærmere den magnetiske nordpolen og sørpolen man kommer. Siden Norge ligger ganske langt nord og er forholdsvis nær den magnetiske nordpolen er vi i høy grad påvirket av denne tiltingen. På grunn av at F-laget noen ganger er tiltet kan vi her i Norge ofte oppleve at vi kan kjøre DX med enkle halvbølgedipoler som er montert lavere enn en kvart bølgelengde. Ett typisk eksempel på dette er at mange nordmenn har kjørt DX på 80 m med en halvbølgedipol montert ca. 10 m over bakken.

Polarisasjon og utstråling på halvbølgedipoler.

De fleste lærer at en horisontal halvbølgedipol gir horisontal polarisasjon. Dersom man befinner seg vinkelrett på midten av halvbølgedipolens bredside er dette riktig, men dersom man befinner seg vinkelrett på halvbølgedipolens ender er polarisasjonen motsatt, slik at en horisontal halvbølgedipol da har vertikal polarisasjon. Noen vil da argumentere med at dette ikke har noe å si siden en halvbølgedipol ikke stråler noe ut i endene, men dette er også feil, fordi så lenge vi snakker om HF antenner og realistiske høyder over bakken vil en horisontal halvbølgedipol ha varierende grad av utstråling også i endene. Figur 5, Figur 6, Figur 7, Figur 8 og Figur 9 nedenfor viser dette tydelig.
På alle punkter mellom disse ytterpunktene har en horisontal halvbølgedipol en blanding av horisontal og vertikal polarisasjon.  Punkter som ligger nær vinkelrett på senter vil ha mest horisontal polarisasjon og punkter som ligger nær vinkelrett på endene vil ha mest vertikal polarisasjon, på punktet midt i mellom vil den horisontale halvbølgedipolen ha like mye horisontal og vertikal polarisasjon. Figur 2, Figur 3 og Figur 4 viser dette.
Figur 2: Polarisasjonen på en horisontal halvbølgedipol som henger 5,6 m over bakken, sett fra ett punkt 90° ut fra senter. Som man ser er polarisasjonen nesten bare horisontal på dette punktet.
 
Figur 3: Polarisasjonen på en horisontal halvbølgedipol som henger 5,6 m over bakken, sett fra ett punkt 45° ut fra senter. Som man ser har man omtrent like deler vertikal og horisontal polarisasjon på dette punktet.
 
Figur 4: Polarisasjonen på en horisontal halvbølgedipol som henger 5,6 m over bakken, sett fra ett punkt 90° ut fra enden. Som man ser er polarisasjonen nesten bare vertikal på dette punktet.
 
Figur 5: Typisk utstråling fra en horisontal halvbølgedipol som henger en åttendedels bølgelengde over gjennomsnittlig jord.
 
Figur 6: Typisk utstråling fra en horisontal halvbølgedipol som henger en kvart bølgelengde over gjennomsnittlig jord.
 
Figur 7: Typisk utstråling fra en horisontal halvbølgedipol som henger en halv bølgelengde over gjennomsnittlig jord.
 
Figur 8: Typisk utstråling fra en horisontal halvbølgedipol som henger en hel bølgelengde over gjennomsnittlig jord.
 
Figur 9: Typisk utstråling fra en horisontal halvbølgedipol som henger to bølgelengder over gjennomsnittlig jord.

Polarisasjon og utstråling fra inverterte V-antenner.

Når man analyserer utstrålingen fra inverterte V-antenner finner man raskt at utstrålingen er omtrent identisk med en vanlig flat halvbølgedipol, bare at halvbølgedipolen må henge en del lavere enn det høyeste punktet på den inverterte V-antennen for at utstrålingen skal være den samme. Henger den horisontale halvbølgedipolen like høyt som det høyeste punktet på den inverterte V-antenne, vil den horisontale halvbølgedipolen ha en del mer forsterkning.
Ikke overraskende er polarisasjonen også lik, det er ingen forskjell i polarisasjonen på en horisontal halvbølgedipol og en invertert V-antenne når gjennomsnittshøyden over bakken er sammenlignbar.
Figur 10: Polarisasjonen på en invertert V-antenne med senter 12 m over bakken og endene 2 m over bakken, sett fra ett punkt 90° ut fra senter. Som man ser er polarisasjonen nesten bare horisontal på dette punktet.
 
Figur 11: Polarisasjonen på en invertert V-antenne med senter 12 m over bakken og endene 2 m over bakken, sett fra ett punkt 45° ut fra senter. Som man ser har man omtrent like deler vertikal og horisontal polarisasjon på dette punktet.
 
Figur 12: Polarisasjonen på en invertert V-antenne med senter 12 m over bakken og endene 2 m over bakken, sett fra ett punkt 90° ut fra senter. Som man ser er polarisasjonen nesten bare vertikal på dette punktet.
 
Figur 13: Typisk utstråling fra en invertert V-antenne som henger med en gjennomsnittshøyde på en åttendedels bølgelengde over gjennomsnittlig jord.
 
Figur 14: Typisk utstråling fra en invertert V-antenne som henger med en gjennomsnittshøyde på en kvart bølgelengde over gjennomsnittlig jord.
 
Figur 15: Typisk utstråling fra en invertert V-antenne som henger med en gjennomsnittshøyde på en halv bølgelengde over gjennomsnittlig jord.
 
Figur 16: Typisk utstråling fra en invertert V-antenne som henger med en gjennomsnittshøyde på en bølgelengde over gjennomsnittlig jord.
 
Figur 17: Typisk utstråling fra en invertert V-antenne som henger med en gjennomsnittshøyde på to bølgelengder over gjennomsnittlig jord.
 
Akkurat hva som er sammenlignbar gjennomsnittshøyde er ikke så enkelt, for en horisontal halvbølgedipol er det jo enkelt, hele antennen henger like høyt og gjennomsnittshøyden for antennen er derfor høyden antennen henger på. Men for en invertert V-antenne er gjennomsnittshøyden den høyden hvor halve antennen ligger over og halve antennen ligger under, men fordi bakken har større påvirkning på antennen jo nærmere bakken antennen er, vil de lavere delene av antennen påvirke mer enn de øvre delene av antennen, dette fører til at den sammenlignbare gjennomsnittshøyden blir noe lavere enn den faktiske gjennomsnittlige høyden til den inverterte V-antennen når man skal sammenligne den med en horisontal halvbølgedipol.
Dersom man f.eks. skal sammenligne en horisontal halvbølgedipol for 80 m med en invertert V-antenne for 80 m som henger med senter 12 m over bakken og med endene 2 m over bakken, finner man ved hjelp av enkel geometri at antennens gjennomsnittshøyde er ca. 7 m. Men når man kjører simuleringer i EZNEC viser det seg at den horisontale halvbølgedipolen må ned på en høyde på ca. 5,6 m for at utstrålingen skal bli den samme.
Figur 18: Utstrålingen fra en horisontal halvbølgedipol 5,6 m over bakken i rødt, og utstrålingen fra en invertert V-antenne med senter 12 m over bakken og endene 2 m over bakken i blått.
Når den horisontale halvbølgedipolen må ned på så lav høyde er det jo interessant å se på hva som skjer dersom man har 2 master slik at man kan henge begge endene 12 m over bakken. Figur 19 viser dette.
Figur 19: Utstrålingen fra en horisontal halvbølgedipol 12 m over bakken i rødt, og utstrålingen fra en invertert V-antenne med senter 12 m over bakken og endene 2 m over bakken i blått.
Som man ser er formen på utstrålingen noenlunde lik, men den horisontale halvbølgedipolen har en høyere forsterkning rundt hele.  Som man ser fra Tabell 1 gir den horisontale halvbølgedipolen jevnt over ca. 3 dB mer i forsterkning i akkurat dette tilfellet.
 
Forsterkning i dBi
 
Vinkel
Invertert V
Flat dipol
Forskjell:
90°
3,1
6,2
3,1
45°
1
4,4
3,4
20°
-4,5
-0,8
3,7
10°
-10
-6,3
3,7
-15,9
-12,2
3,7
Akkurat hvor stor forskjellen er vil variere med hvor høyt endene på den inverterte V-antennen henger, jordforholdene og frekvensen, man kan derfor ikke si at en flat halvbølgedipol «alltid er 3 dB bedre enn en invertert V-antenne», men man kan si at en flat halvbølgedipol alltid er bedre enn en invertert V-antenne når den henger høyere enn gjennomsnittshøyden på den inverterte V-antennen.
Men hva dersom man henger endene på den inverterte V-antennen høyere? Figur 20 viser hva som skjer da, man ser at man får en betydelig økning i forsterkning dersom man får endene på den inverterte V-antennen høyere, og forsterkningen begynner å nærme seg forsterkningen til den horisontale halvbølgedipolen.
Figur 20: Utstrålingen fra en horisontal halvbølgedipol 12 m over bakken i svart, utstrålingen fra en invertert V-antenne med 12 m senter og endene 8 m over bakken i blått, og utstrålingen fra en invertert V-antenne med senter 12 m over bakken og endene 2 m over bakken i grønt.
Hvorvidt man bør gå for en invertert V-antenne eller en horisontal halvbølgedipol vil derfor avhenge av hvor høyt man kan få den horisontale halvbølgedipolen, versus hvor høyt man kan få senter og endene på den inverterte V-antennen.

SWR

Standbølgeforholdet (SWR) er alltid interessant når det kommer til antenner.  Som man ser fra Figur 21, Figur 22 og Figur 23 er det ikke noen stor forskjell i SWR mellom en horisontal halvbølgedipol og en invertert V-antenne, generelt sett har den inverterte V-antennen litt lavere SWR.
Figur 21: SWR for en typisk horisontal halvbølgedipol som henger 12 m over bakken.
 
Figur 22: SWR for en typisk invertert V-antenne med senter 12 m over bakken og endene 2 m over bakken.
 
Figur 23: SWR for en typisk invertert V-antenne med senter 12 m over bakken og endene 8 m over bakken.

Konklusjon

Vi kan konkludere med følgende:
<![if !supportLists]>·         <![endif]>Når alle andre faktorer ellers er like og det er justert til sammenlignbar høyde er utstrålingen omtrent den samme på en horisontal halvbølgedipol og en invertert V-antenne.
<![if !supportLists]>·         <![endif]>Når alle andre faktorer ellers er like og det er justert til sammenlignbar høyde er polarisasjonen omtrent den samme på en horisontal halvbølgedipol og en invertert V-antenne.
<![if !supportLists]>·         <![endif]>Både den horisontale halvbølgedipolen og den inverterte V-antennen har komponenter med både vertikal og horisontal polarisasjon.
<![if !supportLists]>·         <![endif]>En horisontal halvbølgedipol som henger høyere enn gjennomsnittshøyden til en invertert V-antenne vil ha høyere forsterkning.
<![if !supportLists]>·         <![endif]>Fordi en horisontal halvbølgedipol som henger høyere enn gjennomsnittshøyden til en invertert V-antenne har høyere forsterkning vil den være bedre egnet for både DX og innenlandskontakter.
<![if !supportLists]>·         <![endif]>Man kan enkelt forbedre forsterkningen til en invertert V-antenne ved å heve endene, slik at gjennomsnittshøyden til antennen blir høyere.
<![if !supportLists]>·         <![endif]>Den inverterte V-antennen vil typisk ha litt lavere SWR enn den horisontale halvbølgedipolen.
<![if !supportLists]>·         <![endif]>Den eneste fordelen med en invertert V-antenne er den at kun trenger ett høyt punkt å henge i.
 
Legg inn en kommentar