Maaston muoto vaikuttaa antennin lähtökulmiin

CCF:n reflektorin sähköpostikeskustelussa tuli esille tärkeä asia, jota en ole tarkemmin vielä lähtenyt tarkastelemaan, nimittäin: antennia ympäröivän maaston muoto vaikuttaa merkittävästi antennin vertikaaliseen säteilykuvioon. Aiemmin olin yksinkertaistanut asiaa tarkastelemalla antenneja laakeassa tasaisessa maastossa, kuten esim. pelloilla. Antennin suorityskykyyn vaikuttaa muitakin tekijöitä, kuten maaperän johtamiskyky, mikä voi näkyä säteilykulmissa ja antennin vahvistuksessa.

Maaston muodon vaikutus antennin säteilykuvioon voi kuitenkin olla paljon dramaattisempi kuin minkään muun tekijän vaikutus. Jos ollaan ihan tarkkoja, niin maston ja antennin läheisyydessä oleva esim. puusto, talot tai lipputanko luultavasti vaikuttavat myös antenniin, mutta yksinkertaisuuden vuoksi oletetaan, että niiden vaikutus on häviävän pieni. Yksi syy siihen, että HF-antennien mallinnus tehdään mielellään ns. vapaassa tilassa, johtuu siitä, että kun antenni viedään sen todelliseen, kolmiulotteiseen ympäristöön, asiat mutkistuvat. Kuten nähdään, antenniin ja sen säteilykuvioon vaikuttaa monta tekijää, jotka on hankala määrittää tarkasti.

Otetaan nyt maaston vaikutuksesta esimerkiksi Tomin OH2BBT:n 20/15/10 metrin KT34-XA-monialuejagi (5 aktiivista elementtiä 20/15 metrillä ja 6-elementtiä 10 metrillä), joka on 18 metrin korkeudessa. Ympäröivän maaston ansiosta 20M:llä antennin säteilykulmat ovat samantyyppiset kuin tasaisessa maastossa n. 50 metrin korkeudessa olevan jagin!

(klikkaa todelliseen kokoon)

Kuvasta nähdään, miten Tomin antennin 20M:n säteilykuviossa yhdistyvät oikeastaan kahden antennin parhaat ominaisuudet:

1. korkeiden säteilykulmien hyvä kattavuus (maan pinnasta matalalla olevan antennin ominaisuus - hyvä kattavuus esim. Euroopan signaaleille)
2. matalien säteilykulmien hyvä kattavuus (antennia ympäröivän maaston vaikutus - hyvä DX-signaalien kattavuus).

Tomin antennin säteilykulmat on merkitty sinisellä ja noudattelee Tomin luonnostelemaa maastoprofiilia suuntaan 310 astetta antennista. Vertailun vuoksi kuvassa näkyy punaisella 52 m:n korkeudessa tasamaalla olevan 5-elementtisen antennin kuvio ja vihreällä 18 m:n korkeudessa tasamaalla olevan antennin kuvio. HFTA:n laskema antennin hyvyysarvo (Fig. of Merit) on jopa aavistuksen parempi tässä tapauksessa kuin 52 m:n korkeudessa olevan antennin!

Figure of Merit on riippuvainen käytetystä lähtökulmastatistiikasta. Olin laskenut Tomille lähtökulmastatistiikan juuri hänen QTH:ta varten. Tässä esimerkissä oli käytetty sellaista statistiikkaa, jossa saavutettava REL-arvo on 90 % tai parempi auringonpilkkuvulla (SSN) 5.

Kannattaa huomioida, että antennin säteilyominaisuudet ovat esitetynkaltaiset vain suuntaan 310 astetta 20 metrillä. Maaston muoto on yleensä erilainen eri suuntiin ja säteilyominaisuudet muuttuvat, kun maaston muoto muuttuu. Tuntematta tarkemmin Tomin QTH:n ympärillä olevaa maastoa saattaahan olla, että etelän suuntaan antennin kuvio on normaalin 18 m:n korkeudessa tasamaalla olevan antennin säteilykuvion tapainen.

Oman maastoprofiilin tekeminen

(klikkaa todelliseen kokoon)

Kuvassa näkyy maaston muoto 1 600 metrin päähän Tomin antennista suuntaan 310 astetta. Tarkan maastoprofiilin määrittäminen HFTA-ohjelmaa varten on oma taidelajinsa, josta olen käynyt keskusteluja Ahdin OH2RZ kanssa. Meillä OH-miehillä on kaksi mahdollisuutta:

• joko käsin luodaan maastoprofiili paperille painetuista topografikartoista
• tai hankitaan Maanmittauslaitokselta omaa aluetta koskeva digitaalinen korkeusmalli.
  

Ilmeisesti tämä Maanmittauslaitoksen digitaalinen malli toimitetaan sellaisessa koordinaatistomuodossa, että sen hyödyntäminen HFTA:ssa vaatii koordinaatistonmuunnosta.

Itse maastoprofiilin kirjoittaminen ei ole kovin vaikeaa. Tässä esimerkki Tomin profiilista ensimmäisen sadan metrin osalta:

Jokaisella rivillä ensimmäisessä sarakkeessa on etäisyys mastosta metreinä ja toisessa sarakkeessa maaston korkeus merenpinnasta metreinä. HFTA-ohjelmaa varten tiedoston tekemiseen voi käyttää mitä hyvänsä tekstieditoria, kuten NotePad ja tallentaa tiedoston .pro-päätteisenä (esim. oh2hq.pro).

HFTA-analyysista VOACAP-antennimalliksi

Kun HFTA tietää maastoprofiilin, se laskee sen perusteella antennin lähtökulmat ottaen huomioon maaston vaikutuksen. Laskennan tuloksena saatu malli voidaan erillisohjelmalla muuttaa VOACAP-ohjelman ymmärtämäksi antennimalliksi. Näin voimme myöhemmin tehdä VOACAP:lla (tai VOAAREA:lla peittokarttoja) keliennusteita, joissa käytetään mahdollisimman tarkkaa antennimallia. Esimerkiksi Tomin 20M:n jagin säteilykuvio näyttää VOACAP:n antenninmallinnusohjelmassa (HFAnt) tällaiselta:

(klikkaa todelliseen kokoon)

Tarkka HFTA:n laskema säteilykuvio loppuu 34 asteeseen. Sitä ylemmille lähtökulmille muutin käsin antennin säteilykulmaa -30 dB:n arvoihin.

HFTA-analyysin muuttaminen VOACAP:n ymmärtämään antennimuotoon tehdään HFTA:n oheisohjelmalla nimeltä MAKEVOA.EXE. Se on DOS-ohjelma, jonka käyttöliittymä näyttää seuraavalta:

(klikkaa todelliseen kokoon)

Peittoaluekarttojen tekoon eli mitä hyötyä saamme tarkasta antennimallista?

Nyt kun meillä on 20M:lle melko tarkka malli siitä, miten antenni siellä käyttäytyy, voimme havainnollistaa VOACAP:n peittokarttojen avulla, miltä kuuluvuus näyttää Pohjois-Amerikassa 20M:llä joulukuussa 2009 (auringonpilkkulukema 7). Antennin suunta on 310 astetta (näkyy peittokartoissa kartan halkovana punaisena viivana). Lasketaan peittokartat aikavälille 11-17 UTC taajuudella 14,1 MHz. Tulokset alla, klikkaa karttaa niin saat sen näkyviin todellisessa koossaan.

(klikkaa todelliseen kokoon)

Nämä REL- eli Reliability-kartat ilmoittavat todennäköisyyden sille, että signaalimme saavuttaa CW-yhteydelle tarvittavan vähimmäistason (24 dB-Hz). Todennäköisyydet voidaan selittää kansantajuisemmin myös päivien lukumäärinä:

• esim. 90 %:n todennäköisyys kartalla tarkoittaa, että niissä osissa maata voidaan saavuttaa CW:n vähimmäistaso 27 päivänä kuukaudessa (= 90 % kuukauden 30 päivästä).
• Vastaavasti 10 %:n todennäköisyys tarkoittaa 3 päivää kuukaudessa.

Näissä statistisissa ennusteissa ongelmahan on vain siinä, ettemme tiedä, missä kohtaa kuukautta esim. nuo ennustetut 3 päivää todellisuudessa toteutuvat...

Kartoista voidaan päätellä, että paras kuuluvuus joulukuussa 2009 20M:llä saavutetaan (tarkasteluvälillä 11-17 UTC) 13-14 UTC välisenä aikana Yhdysvaltojen itäosassa. Näiden karttojen laskelmissa oletetaan, että vastaanottoantennina (olipa se missä hyvänsä kartan pisteessä) on puoliaaltodipoli 22,5 metrin (75 jalan) korkeudessa tasamaalla. Jokaisessa pisteessä vastaanottoantenni on myös käännetty kohti OH2BBT:n QTH:ta eli lähetysasemaa kohti. MAKEVOA.EXE:llä tekemämme antennimalli on ympärisäteilevä mutta lähtökulmiltaan kuitenkin edellä esitetyn kaltainen. Antennin ympärisäteilyvyys aiheuttanee karttoihin jonkin verran vääristymää.

Suuret kiitokset Tomille OH2BBT maastoprofiilin toimittamisesta ja mahdollisuudesta käyttää hänen antenniaan esimerkkinä.

Jatkosuunnitelmissani on mm. tutkia, miten antennien säteilykulmat näyttävät vuorilta. Myös muita tarkentavia aiheita on vielä tiedossa, esim. miten itse voi tehdä itselleen omat lähtökulmastatistiikat.