K9AY loop – modifikace OK1VWK/OL7R

Ver. 0.1d – 02/2007

 

V ČR jsou pro účely poslechu na spodních KV pásmech známé a solidně popsané především anteny typu Beverage. Ty však vyžadují poměrně značný prostor, který je ne vždy běžnému radioamatérovi k disposici. Cca před 1,5 rokem jsem se začal vážně zabývat příčinami dosavadních neúspěchů v závodech, především na spodních KV pásmech. Různým testováním a analýzou logů jsem postupně došel k závěru, že primární příčinou je fakt, že prostě neslyšíme. A tak vznikl projekt K9AY loop a jejich následná modifikace. To je pro naše QTH jediná rozumná možnost jak realizovat poslech na spodních pásmech. Anteny typu Beverage totiž není možné realizovat v potřebných délkách a parametrech tak, aby měly výraznější přínos. Především díky rozměrům pozemku. Proto K9AY.

 

Na obr.1. je nejprve srovnání vyzařovacích diagramů různých přijímacích anten, tak jak jsem je modeloval na PC pro pásmo 80m. Na 160m je to obdobné s tím, že výrazně se mění především zisk K9AY smyček. Rozdílný zisk anten zde však není uvažován.

 

 

Obr. 1. – srovnání tvaru diagramu a hodnoty úhlu vyzařování různých RX anten

 

 

 

Z obr.1. je patrné, že hlavní výhodou smyček K9AY je jejich F/B poměr a tvar vyzařovacího diagramu, který narozdíl od anten typu Beverage umožňuje efektivně pracovat nejen s DX ale i s EU stanicemi. Pokud jde o hodnoty úhlu maxima příjmu, k výrazným rozdílům dochází až u dlouhých Beverage anten o délce 6x lambda. V podstatě se tedy dá konstatovat, že K9AY loop má smysl všude tam, kde není možné realizovat antenu Beverage delší než je dvojnásobek vlnové délky. Tento závěr byl otestován i prakticky.

 

Nyní k samotné realizaci K9AY. Vycházel jsem původně z klasické koncepce publikované autorem např. zde [1]. Dá se říct, že toto zapojení funguje a neklade větších nároků na přesnost výroby. Základních příčin neúspěchu při konstrukci je však několik, přičemž ty základní se pokusím shrnout formou aplikačních poznámek a popisu modifikací, které jsem za uplynulých 1,5roku osobně otestoval v praxi.

 

Pro lepší pochopení je žádoucí uvést, že celé následující povídání je o systému dvou smyček K9AY na sebe navzájem kolmých, instalovaných na jediné středové podpěře, u kterých je možné dálkově přepínat 4 základní směry. SV, JV, SZ, JZ.

 

 

 

 

 

 

Aplikační poznámka 1 – rozměry smyček

 

Pro pásma 160 a 80 byla nejprve využita původní kompromisní konstrukce K9AY publikovaná v [1]. Na obou pásmech však bylo docíleno F/B poměru max 15dB. Proto jsem upravil rozměry tak, aby antena měla na každém pásmu maximální předozadní poměr F/B, což sice znamená stavět na každé pásmo jednu antenu, ale za cenu daleko lepších parametrů.

 

 

 

Rozměry byly nejprve optimalizovány pomocí sw MMANA-GAL V. 1.1.0.10 a následně ověřeny v praxi. Modely jsou vztaženy k reálné zemní rovině s průměrnou vodivostí 5mS/m a dielektrickou konstantou 13. V QTH OL7R takto vychází většina modelů i při reálné konstrukci.

 

Obr. 3. – vyzařovací diagram pro pásmo 40m

 

 

Na pásmu 40m původní verze K9AY loopu nepracuje vůbec a proto bylo přikročeno k novému modelu s upravenými rozměry, který by lépe odpovídal poměrům k vlnové délce. Výsledky jsou vidět v tabulce 1.

 

 

Obr. 4. – vyzařovací diagram pro pásmo 80m

 

 

Pro pásmo 80m vyhovuje původní konstrukce nejlépe a proto byla změna rozměrů nejméně dramatická. Ve spojení s vhodným předzesilovačem zde tato RX antena vykazuje nejlepší výsledky.

 

 

Obr.5. – vyzařovací diagram pro pásmo 160m

 

Pásmo 160m bude vždy kompromisem. Pokud bychom chtěli využít plně vlastnosti K9AY smyček i na tomto pásmu, musíme zvětšit rozměry ve stejném poměru jaký k sobě mají vlnové délky 80 a 160m, tj. přibližně 2x. Pak ovšem K9AY ztrácí svůj primární půvab, totiž velikost zabírané plochy. Proto jsem se nepokoušel ani modelovat verzi s dvojnásobnými rozměry a soustředil jsem se na úpravu parametrů původní K9AY tak aby poskytovala maximum F/B poměru i na tomto pásmu. Je třeba říci, že zisk díky rozměrům klesnul oproti pásmu 80m o dalších 10dB, ale to se dá pořád dohnat připojením LNA. Proto jsem se tímto parametrem příliš nezabýval.

 

 

Aplikační poznámka 2 – impedanční transformátor (Tr1)

 

Tomuto tématu se vyplatí věnovat největší pozornost, neboť konstrukce impedančního transformátoru zásadně ovlivňuje parametry přijímací anteny. Původní osazení publikované v [1] vychází z koncepce autotransformátoru s trifilárním vinutím 3x 5z. Autor použil toroid z produkce Fair Rite Products, prodávaný též pod označením Amidon, typ FT82-43. V této konfiguraci antena “nějak” pracuje. Nicméně, protože jsem nebyl stále spokojen s poslechovými parametry, při hledání na Internetu jsem narazil na poznámky W8JI [2], ve kterých se zabýval příčinami špatné funkce RX anten založených na principu “terminated loop”. Zaujaly mě zejména poznámky týkající se konstrukce impedančního transformátoru. W8JI doporučuje použít dvouotvorové jádro od Fair Rite Products z materiálu 73, pod označením 2873000202, které se dá sehnat také u nás např. v [3] pod označením BN 73-202. Pomineme-li cenovou výhodnost dvouotvorových jader oproti klasickým kruhovým jádrům, W8JI je používá především pro jejich vynikající přenosové vlastnosti v rozsahu 1-30MHz. Více je možné se dočíst v originálním prameni. Důležité je, že s dvouotvorovými jádry Amidon z mat. 73 se dá docilit nižší průchozí útlum a menší kapacitní vazba vinutí, díky nízkému počtu závitů.

 

Obr. 6. – foto obou typů transformátorů

 

 

Měřením s pomocí vektorového analyzátoru MFJ269 jsem ověřil opakovatelnost konstrukce. Modifikace W8JI vykazuje v rozsahu 1-15MHz přímo ideální parametry 450/50ohm s minimálním vlivem jalové složky impedance. Měření útlumu odrazu ukázalo 29dB na 160 a 25dB na 80m. Právě tyto transformátory jsem následně s úspěchem použil na všech dosud konstruovaných RX antenách, typ Beverage nevyjímaje.

 

 

Aplikační poznámka 3 – zakončovací odpor

 

V původním prameni [1] autor doporučuje použít kompromisní hodnotu odporu cca 500ohm, která by měla vyhovět údajně na obou pásmech. Při použití  této hodnoty bude pravděpodobně většina uživatelů z funkce anteny silně zklamána. Modelováním K9AY smyček jsem ověřil, že správná hodnota má zásadní vliv na F/B poměr anteny. V praxi jsem pak ověřil hodnotu 390ohm pro pásmo 160m a 580ohm pro pásmo 80m. Tyto hodnoty jsou uvedeny i v původním prameni, v další části textu.

 

Existuje dokonce řešení pomocí “vactrol” což je součástka, která plní současně funkci fotoodporu a LED diody. Jas diody je dálkově regulován změnou napětí a podle intensity světla se následně mění rezistence fotoodporu, který je zapojen místo standardního zakončovacího odporu. Tím je možné dostavit antenu na nejlepší F/B poměr. Na hodnotu odporu mají vliv i dielektrické vlastnosti zemní roviny, nicméně v podmínkách OL7R se ukázalo použití systému vactrol jako neopodstatněné. Věc má zásadní problem především v neodolnosti vůči VF poli. I pevné odpory je vhodné použít s min zatížitelností 3W. Zkoušel jsem to realizovat pomocí čtyřech 0.25W odporů v serii a i ty hoří díky VF poli z PA. Kromě toho jsem nezaznamenal zásadní změnu dielektrických vlastností půdy v okolí anteny. Smyčky poslouchají s poměrně stabilními výsledky bez ohledu na roční dobu.

 

 

Aplikační poznámka 4 – předzesilovač (LNA)

 

Nejprve úrovňová rozvaha. Mějme 2 anteny. Jednu na kterou vysíláme a použijeme ji jako referenční, např. Inv. V coby jednu z nejčastěji používaných na spodních pásmech. Nazvěme tuto jako antenu „A“. Antena „B“ je pak naše K9AY smyčka.

 

Pásmo 80m:

Zisk Ga anteny „A“ na 80m = 2dBi

Zisk Gb anteny „B“ na 80m = -13dBi

                                                

Rozdíl zisku obou anten Gr = Ga – Gb => 2 - (-13) => 15dB, tj. signály z anteny B” (K9AY loop na 80m) budou o 15dB slabší než z Inv.V coby referenční anteny.

 

Pásmo 160m:

Zisk Ga anteny „A“ na 80m = 0dBi (vzhledem k vlnové délce a reálně docílitelné výšce nad zemí zde bude mít Inv. V nižší zisk než na 80m, proto 0dBi)

Zisk Gb anteny „B“ na 80m = -25dBi

 

Rozdíl zisku obou anten Gr = Ga – Gb => 0 - (-25) => 25dB, tj. signály z anteny B” (K9AY loop na 160m) budou o 25dB slabší než z Inv.V coby referenční anteny.

 

Abychom tento rozdíl zisků kompenzovali, je třeba realizovat předzesilovač se ziskem min. 15dB pro pásmo 80m a 25dB pro pásmo 160m, čímž docílíme úrovňové vyváženosti signálu ze všech použitých anten. Takový předzesilovač musí kromě uvedeného požadavku splňovat i další. Především vlastní šum zesilovače by měl být co nejnižší a naopak jeho schopnost zpracovat silné signály co nejvyšší.

 

Bohužel LNA s takovými parametry se zejména pro pásmo 160m dá realizovat za použití standardních součástek jen velmi obtížně. Po neúspěšném pátrání po vhodné konstrukci jsem nakonec sáhl po monolitickém obvodu MAR8A viz [4]. Při šumovém čísle 3dB a schopnosti zpracovat na vstupu signály “tlusté” až +27dBm má zisk 30dB na 100MHz při napájecím napětí 3,4V. Zisk tohoto MMIC pokryje požadavky jak na pásmo 160m tak na pásma vyšší. Vzhledem k tomu, že jde o MMIC se jmenovitou impedancí Zin/Zout 50ohm a pracovním rozsahem 0-1GHz, je bezpodmínečně nutné zařadit před něj alepsoň nějaké selektivní obvody. Použil jsem zapojení pásmových filtrů podle W3LPL. Následně vznikla následující idea blokového zapojení, na obr. 7.

 

 

Obr. 7. – blokové schéma

 

 

 

Při realizaci LNA jsem narazil na zprvu neřešitelnou věc a tou bylo kmitání MAR8A na které jsem byl předem upozorněn. Spoustu z nás v minulosti právě tato záležitost odradila od použití. Nepomohlo však žádné blokování atp. Nakonec jsem dospěl k názoru, že je třeba zajistit na výstupu z IO stabilní zatížení reálnou impedancí a to bude zřejmě celý problem. Navrhnul jsem proto útlumový Pi-článek z 0.25W odporů se zaručenou Zin/out 50ohm. Toto řešení se ukázalo jako opakovatelné a bez dalších projevů nestability LNA. Vzhledem k zisku MAR8A je pak možné volnou správných hodnot odporů realizovat útlum přesně tak, aby celkový zisk LNA odpovídal požadavkům na kompenzaci záporného zisku K9AY loop na příslušném pásmu.

 

Na základě uvedených poznatků vznikly 2 prototypy LNA na 160 a 80m. Schema je uvedeno na obr. 8. Použil jsem v systému jediné relé, které má za úkol přemostit LNA pro případ, že by z nějakých důvodů přestal pracovat. Relé je ovládáno současně s napájením MAR8A dálkově přes ovládací kabel. Přivedením napětí na stabilizátor 7812 dojde k aktivaci relé, které v klidovém stavu přemosťuje LNA a současně je přivedeno napětí přes bias odpor na vlastní MAR8A. Během provozu v závodě je LNA trvale pod napětím i při vysílání. Není třeba řešit jeho synchronizaci s PTT. Takto přežil oba poslední CQWW na obou pásmech. 

 

 

Obr. 8. – schéma prototypu LNA pro K9AY loop

 

 

 

 

Důležitý je způsob propojení s GND. Oba prototypy zesilovačů jsou toho času  vůči loop GND plovoucí a to kvůli zamezení přenosu rušení ze spínaných zdrojů a dalších zařízení v hamovně, které za normálních okolností vydatně zvyšují šumové pozadí RX. K tomuto přenosu dochází po stínění koaxu v případě, že je spojeno přes GND plošného spoje s LNA se zemnícím systémem anteny na který je připojen i zakončovací odpor. Stejně tak dochází k přenosu rušení přes stínění koaxu z TX anten a proto je vhodné aplikovat i oddělovací trafo 1:1 na výstup z LNA. To vše má smysl pouze v případě, že mate na QTH problém s rušením od WiFi, PLC, spínaných zdrojů a podobných záležitostí. Z těchto důvodů mohou nastat problémy při použití originálního trafa z materiálu 43, které je vinuté jako autotransformátor a nesplňuje tedy požadavek na galvanické oddělení primárního a sekundárního vinutí.

 

Oba LNA byly prozatím zhotoveny se stejným útlumovým článkem 10dB, tedy se ziskem 20dB, abych následně ověřil rozdíly na obou pásmech a výpočty shora uvedené. Nicméně popoledních úpravách jsem na pásmu 160m zvednul zisk na 28dB. Problémem se však v tuto chvíli stává vstupní zesilovač TRX, v mém případě to byla testovací Yaesu FT920. Zařízení již není schopno si poradit s tak vysokou úrovní z LNA a proto jsem musel za pomoci tlačítka IPO vypnout vstupní zesilovač a signál jsem přivedl přímo na první směšovač TRX. To se zdá být bez problému. Celá konstrukce včetně impedančního transformátoru Tr1, oddělovacího Tr2 a zatěžovacího odporu je umístěna v hliníkovém boxu přímo u anteny. Použil jsem hliníkové odlitky, které měly původně sloužit jinému účelu a válely se mi již drahně let ve sklepě. Na obr. 9. je foto a popis zapojení vývodů.

 

 

Obr. 9. – foto ovládací krabice a rozmístění vývodů

 

 

 

Informační zdroje:

 

[1] – Odkaz na originální dokumentaci a popis konstrukce K9AY smyček

[2] – W8JI Flag,EWE,K9AY loops application notes

[3] – GES Electronics – binocular toroids Amidon mat. 73.

[4] – MAR8A datasheet