Ero sivun ”Perusluokan palsta 2015-19/Lanka-antennien rakentaminen” versioiden välillä

Radioamatööriwikistä
Siirry navigaatioon Siirry hakuun
(luotu)
 
Ei muokkausyhteenvetoa
 
Rivi 103: Rivi 103:
<references />
<references />
''Kuvat 1, 5, 8 ja 9: “Copyright 2018 ARRL, 2018 Radio Amateur’s Handbook, used with permission.”''
''Kuvat 1, 5, 8 ja 9: “Copyright 2018 ARRL, 2018 Radio Amateur’s Handbook, used with permission.”''
''Julkaistu [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.fi CC BY-NC-ND 4.0] -lisenssillä.''

Nykyinen versio 15. maaliskuuta 2022 kello 18.35

Tämä sivu on osa Tomi Helpiön Perusluokan palsta 2015–19 -kirjaa, johon on uudelleentoimitettu Radioamatööri-lehdessä vuosina 2015–2019 julkaistut Perusluokan palsta -juttusarjan artikkelit.

Lanka-antennien rakentaminen

Lähes jokaisen ensimmäinen antenni on jonkinlainen lanka-antenni. Lanka-antenneilla on vahva asema myös harrastuksen edetessä, erityisesti alabandeilla. Antennikirjojen kaaviot saattavat näyttää yksinkertaisilta, mutta lanka-antennien rakentaminen käytännössä onkin sitten eri juttu. Mitä materiaaleja on käytettävissä ja mitä niistä kannattaa käyttää? Mitä asioita on huomioitava, jotta lanka-antenni kestäisi pitkään? Näihin kysymyksiin koetan vastata alla.

Puoliaaltodipoli

Kuva 1. Lanka-antennin pääosat: antennilanka, kannatinnarut, antennieristimet ja syöttöjohto. Syöttöjohdon sähköinen kiinnitys antennilankaan voidaan tehdä juottamalla tai ruuvikiinnityksellä. Tärkeää on kuitenkin vedonpoisto, jottei liitoksiin kohdistu mekaanista rasitusta. Samoin on tärkeää tiivistää koaksiaalikaapelin pää huolellisesti.

Aloitetaan kuitenkin varmasti yleisimmästä lanka-antennista eli keskeltä syötetystä puoliaaltodipolista (kuva 1). Dipoli voi olla pituudeltaan toki muunkin mittainen, vaikka koko aallonpituus, eikä syöttöpisteenkään tarvitse olla keskellä. Tavallisella keskeltä syötetyllä puoliaaltodipolilla on kuitenkin etuja, jotka ovat tehneet siitä niin yleisen: sen syöttöimpedanssi mahdollistaa sen syöttämisen suoraan koaksiaalikaapelilla, sen säteilyominaisuudet ovat hyvät verrattuna sen yksinkertaisuuteen ja se on käyttökelpoinen kaikilla HF-bandeilla (80…10 m).

Aallonpituus, , lasketaan taajuudesta, , kaavalla

eli aallonpituus tyhjiössä metreinä on 300 jaettuna taajuudella megahertseinä. Osoittajassa oleva 300 Mm/s on valon nopeus tyhjiössä eli 300 000 km/s. Tarkasti ottaen valon nopeus tyhjiössä on 299 792,458 km/s, mutta tässä tuo likiarvo on aivan riittävä. Puolen aallonpituuden saa tietenkin jakamalla aallonpituus kahdella. Näin saadaan Taulukossa 1 esitetyt puolen aallonpituuden arvot joidenkin HF-bandien keskellä.

Puoliaaltodipolin pituus saadaan kertomalla puoli aallonpituutta lyhennyskertoimella , jonka arvoksi annetaan hieman lähteestä riippuen 95…98 %. ottaa huomioon mm. sen, että radioaallot kulkevat antennilangassa hieman valonnopeutta hitaammin eli aallonpituus on langassa lyhempi. Näin saadut puoliaaltodipolin pituudet on esitetty Taulukon 1 viimeisessä sarakkeessa. Tässä on oletettu k:n arvoksi 0,97. Antennin pituudet on esitetty senttimetrin tarkkuudella. Tämän suurempaan tarkkuuteen on lanka-antennitöissä turha pyrkiäkään. Antennin lopullinen pituus selviää vasta asennuspaikalla. Ympärillä olevat esteet, kuten puut ja rakennukset, vaikuttavat antennin pituuteen, joten se täytyy joka tapauksessa trimmata sopivaksi.

Kuvasta 1 näkyvät hyvin lanka-antennin pääosat: antennilanka, kannatinnarut, antennieristimet sekä syöttöjohto. Näiden kunkin valinnalla ja erityisesti niiden yhdistämisellä toisiinsa on tärkeä merkitys antennin toiminnalle ja sen kestävyydelle.

Taulukko 1. Aallonpituus tyhjiössä ja puoliaaltodipolin pituus joillakin HF-bandeilla.
bandi [m] [MHz] [m] [m] -dipolin pituus [m]
80 3650 82,19 41,10 39,86
40 7100 42,25 21,13 20,49
20 14175 21,16 10,58 10,26
15 21225 14,13 7,07 6,86

Antennilangat

Antennilangan tärkein ominaisuus on hyvä sähkönjohtavuus. Lisäksi sen mekaanisen kestävyyden tulee olla riittävä. Nämä vaatimukset ovat osittain ristiriidassa keskenään: kupari on hyvä sähkönjohde, mutta sen lujuus on keskinkertainen; teräs on puolestaan lujuudeltaan erinomainen, mutta sen sähkönjohtavuus taas on keskinkertainen. Sekä kuparista että teräksestä kuitenkin valmistetaan antennilankoja. Lyhyt ja kevyt lanka-antenni voidaan hyvin tehdä kuparilangasta, koska mekaaninen rasitus on pientä. Vastaavasti pitkä lanka-antenni (esim. 80 m:n dipoli), jonka keskikohtaa vielä rasittaa painava baluuni ja paksu koaksiaalisyöttöjohto, voidaan valmistaa teräsvaijerista, koska materiaalin lujuuden tuomat edut oikeuttavat heikomman sähkönjohtavuuden.

Kuva 2. Joitakin antennilankoja (vasemmalta oikealle): lakkaeristetty 1 mm:n kuparipäällysteinen teräslanka, monisäikeinen (säikeet kovaksi vedettyä kuparia) 1,5 mm:n muovipäällysteinen johdin ja monisäikeinen (säikeet kovaksi vedettyä kuparia) 3 mm:n muovipäällysteinen johdin.

Molempien materiaalien edut yhdistää kuparipäällystetty teräslanka (kuva 2). Siinä hyvän lujuuden tuova teräslanka on päällystetty hyvin sähköä johtavalla kuparikerroksella. Virranahtoilmiön (skin effect) vuoksi RF-energia kulkee vain langan ohuessa pintakerroksessa, ja riittää, että vain tämä kerros on hyvin sähköä johtava. HF-alueella (3…30 MHz) tämän kerroksen paksuus on vain joitakin sadasosamillimetrejä. Ohutkin kuparikerros on siis riittävä.

Maaseudulta on purettu valtavia määriä tarpeettomaksi jääneen lankapuhelinverkon ilmajohtoa. Tämä ns. ”Killu” on kahden kuparipäällysteisen teräslangan ja polyeteenieristeen muodostamaa parikaapelia. Sitä on päätynyt varmasti suuria määriä puhelinyhtiöiden varikkojen jätelavoille. Killu on kuitenkin erinomaista antennilankaa, ja sitä on myös pelastettu paljon radioamatöörikäyttöön.

Killun kuorimisen eli eristekerroksen poiston suhteen on kaksi koulukuntaa: puolesta ja vastaan. Kuorimisesta ei sinänsä ole mitään haittaa, mutta ei mitään hyötyäkään. Rudy Severns, N6LF, tutki antennilangan eristekerroksen vaikutusta lanka-antenneihin.[1] Hän tuli siihen tulokseen, että eristekerros vain pienentää antennin lyhennyskerrointa n. 1,5 prosenttiyksikköä. Eristekerros ei siis lisää antennin häviöitä tai vaikuta muutenkaan haitallisesti sen toimintaan. Eristekerros tosin lisää langan painoa, ja yhdessä lumikuorman kanssa tämä rasittaa antennia. Killu on tosin perusteellisesti käytännössä testattu Suomen oloissa ja se on suunniteltu kestämään ne. Kuorimisesta saattaa sen sijaan aiheutua vakavaa haittaa. Kuorimisen yhteydessä ohut kuparikerros saattaa helposti vahingoittua. Tällöin kerros ei enää suojaa teräslankaa korroosiolta, ja sään vaikutuksesta lanka ruostuu poikki. Eristeetöntä lankaa on myös vaikeampi käsitellä; siihen syntyy helposti silmukoita, jotka langan kiristyessä muodostuvat sen heikoimmiksi kohdiksi. Parikaapelin kaksi lankaa tulee irrottaa toisistaan varovasti siten, ettei kummankaan eristekerros vahingoitu. Kauko, OH6ND[2] on antanut hyvät vinkit Killun käsittelyyn.

On olemassa sekä yksi- että monisäikeisiä antennilankoja. Monisäikeisten etu on niiden käsittelyn helppous. Antennin voi ottaa alas ja kietoa langan vyyhdelle ja se on käytettävissä uudelleen. Yksisäikeisellä langalla tämä ei välttämättä onnistu. Monisäikeisten lankojen haitaksi on joskus epäilty säikeiden välisen kontaktin heikkenemistä ajan mittaan korroosion vuoksi. Tämän kuitenkin estää langan päällä oleva eristekerros. Eristeetönkin antennivaijeri on tosin myös täysin käyttökelpoista.

Nimenomaan antennilangoiksi on myytävänä lankoja, joissa yhdistyvät kaikki edellä mainitut edut. Ne ovat monisäikeisiä eristettyjä johtimia, joissa yksittäiset säikeet ovat kuparipäällystettyä teräslankaa (ks. esim. http://www.dx-wire.de/). Ne soveltuvat hyvin lanka-antennien raaka-aineeksi, ja niiden ominaisuudet kyllä oikeuttavat niiden hinnan. Onpa myös antennilankaa, jossa ruostumattomasta teräslangasta valmistetun ytimen ympärillä on hopeapäällysteisestä kuparilangasta tehty vaippa. Siinä on materiaalien valinta viety pitkälle; kullattuun antennilankaan en ole kuitenkaan vielä törmännyt, hi.

Poikkileikkaukseltaan 1,5…2,5 mm2:n yksilankainen (ML) tai muutamalankainen (MK) asennusjohto on melko edullista ja sen saatavuus on hyvä. Sen haitta vain on, että se venyy antenniksi ripustettuna. Tällä ei ole väliä, jos antenni ei ole resonanssiantenni vaan esimerkiksi antenninsovituslaitteen ja avojohdon avulla syötettävä monialuedipoli. Jos antenni taas on tarkasti resonanssitaajuudelle mitoitettu, kuten puoliaaltodipoli, ei tämä venyminen ole hyväksyttävää. Kupariset antennilangat ovatkin kovaksi vedettyä kuparia, joka ei enää käytössä veny.

Kannatinnarut

Kuva 3. Joitakin kannatinnaruja (vasemmalta oikealle): 1,5 mm:n Dynemanaru, 4 mm:n Dynemanaru ja 4 mm:n lippunaru.

Lanka-antennin ripustukseen esimerkiksi puihin on käytettävissä monenlaisia köysiä ja naruja. Jos antenni on tarkoitettu vain lyhyeen kokeiluun, ei narun laadulla ole juurikaan väliä. Jos sen sijaan on tarkoitus, että antenni on käytössä vuosia, kannattaa ripustusnarun laatuun kiinnittää huomiota.

Antenninkannatukseen tarkoitetun köyden tärkeimpiä ominaisuuksia ovat UV-kestävyys, riittävä lujuus myös pitkäkestoisessa käytössä ja riittävä kulutuksen kesto esimerkiksi puun oksaa vasten ollessa.

Nämä kaikki vaatimukset täyttää erinomaisesti ns. Dynema-naru (kuva 3). Siinä polyeteeni on kemiallisesti muokattu erittäin suurimolekyyliseksi. Näin syntyy erityislujia säikeitä. Kimppu näitä säikeitä, mahdollisesti punottuna, on narussa polyesterivaipan sisällä, joka pitää kimpun koossa ja suojaa sitä. Tuloksena on erittäin luja kulutusta kestävä kannatinnaru. Vain 1,5 mm paksuisen Dynema-narun vetolujuus vastaa 120 kg:n kuormaa. Paksummat narut kestävät jopa usean tonnin kuorman.

Dynemaa huokeampi vaihtoehto ovat polyesterinarut. Näistä esimerkiksi lippunaru on tarkoitettu jatkuvaan ulkokäyttöön, se on edullista ja sen saatavuus on hyvä (eli sitä löytyy kaikista rautakaupoista).

Puun oksan tuulessa aiheuttamaa hankausta kestää hyvin myös muovitettu teräsvaijeri. Sen lujuus on naruihin verrattuna omaa luokkaansa, mutta sähköä johtavana se ei saa olla antennin läheisyydessä, ettei siitä tule osa antennia. Vaijerin ja antennin väliin tulee laittaa riittävän pitkä sähköä johtamaton naru.

Antennieristimet

Kuva 4. Joitakin antennieristimiä (vasemmalta oikealle): muovinen minieristin (kestää hyvin 100 W:n lähetystehon), muovinen vakioeristin (Fritzel), muovinen munaeristin ja posliininen eristin.

Kuten nimestä voi päätellä, on antennineristimen tehtävä eristää antenni sitä kannattavista naruista. Puoliaaltodipolin päissä on impedanssihuiput eli jännite on siellä korkeimmillaan; pienelläkin lähetysteholla (100 W) voi jännite nousta antennin päissä satoihin voltteihin. Jos antenni olisi suoraan kiinni mahdollisesti märissä kannatinnaruissa, syntyisi vuotovirtoja maahan, jotka häiritsisivät antennin suunniteltua toimintaa ja muuttaisivat lähetystehoa lämmöksi. Siksi antennin päät kannattaa eristää kannatinnaruista hyvillä antennieristimillä. Samoin dipolin puolikkaat eristetään toisistaan keskieristimellä.

Kuva 5. Kolme tapaa liittää syöttöjohto lanka-antenniin.

Kuten kuvasta 4 nähdään, ovat muovi ja posliini yleisimpiä antennieristinmateriaaleja. Myös lasia on käytetty antennieristimien materiaalina. Muovi on tässä käyttötarkoituksessa kuitenkin ottanut valta-aseman. Nykymuovit ovat paitsi eristysominaisuuksiltaan myös lujuudeltaan vähintään yhtä hyviä (yleensä parempia), kuin tarkoitusta varten valmistettu posliini tai lasi. Muovi on myös edullista, ja muovieristimet ovat käytännöllisesti katsottuna särkymättömiä.

Antennieristimiä voi askarrella itse sopivasta materiaalista; tähän sopivat kaikki riittävän lujat ja UV-kestävät muovit. Esimerkiksi pleksilasi eli kirkas akryylimuovi on usein käytetty materiaali (kuva 5). Myös monet kotitaloudessa käytettävät pakkausmuovit voivat soveltua tähän. Säästöpotentiaali on kuitenkin pieni: valmiit antennieristimet maksavat vain euron tai kaksi kappaleelta. Niitä voi lisäksi käyttää aina uudelleen eli kerran hankitut eristimet ovat käytössä lähes ikuiset.

Kiinnitystarvikkeet

Kuva 6. Joitakin kiinnitystarvikkeita, ruostumatonta terästä (vasemmalta oikealle): erikokoisia vaijerilukkoja, kaksi erikokoista koussia, pikalenkki ja pylpyrä.

Jos antennilanka on yksisäikeinen, sen voi kiinnittää eristimiin muutamalla kierroksella itsensä ympäri, kuten kuvasta 5 nähdään. Monisäikeisen johdon kiinnittämiseen käytetään sen sijaan vaijerilukkoja (kuva 6). Niitä on erikokoisia (so. eri paksuisille langoille) ja sekä yhdellä että kahdella kiristysruuvilla. Suositeltava materiaali on ruostumaton RST-teräs (esim. AISI 316). Nämä yleensä veneilytarvikkeina myytävät kiinnikkeet ovat kyllä hieman kalliimpia kuin esimerkiksi kuumasinkityt, mutta ne ovat käytössä ikuisia. Vielä vuosienkin sään armoilla olon jälkeen ne aukeavat helposti ja ovat muutenkin kuin uusia. Ensimmäisiin antenneihin kannattaa tehdä tämä panostus, ja tulevaisuudessa on laadukkaat kiinnitystarvikkeet jo valmiina.

Myös kannatinnarut kannattaa solmujen sijaan kiinnittää vaijerilukoilla. Solmut heikentävät paikallisesti narun lujuutta ja ovat näin sen heikoimpia kohtia. Erityisesti Dynema-narujen lujuus toteutuu parhaiten, kun kiinnitykseen käytetään vaijerilukkoja. Vaijerilukkojen etu on myös, että kannatinnarun tai antennilangan pituuden säätäminen on helppoa. Muita käyttökelpoisia kiinnitystarvikkeita ovat esimerkiksi palohaat, pikalukot, sakkelit, koussit ja pylpyrät.

Syöttöjohdot

Kuva 7. Joitakin syöttöjohtoja (vasemmalta oikealle): koaksiaalikaapeli RG-58, koaksiaalikaapeli Aircell 7 ja 300 ohmin ”lapamato”-parijohto.
Kuva 8. Lanka-antennin syöttäminen parijohdolla.

Syöttöjohdon tehtävä on siirtää lähettimen teho mahdollisimman pienin häviöin antenniin. Puoliaaltodipolin syöttöpisteen impedanssi (dipolin keskikohdassa) on resistiivinen ja asennuskorkeudesta riippuen n. 50…70 ohmia eli se soveltuu hyvin syötettäväksi koaksiaalikaapelilla. Tavallisen 50 ohmin koaksiaalikaapelin aiheuttama sovitus on niin hyvä, että hyvälaatuisella kaapelilla sen aiheuttama häviö on mitättömän pieni.

Koaksiaalikaapeleita (kuva 7) on olemassa ohuesta, laitteiden sisäiseen johdotukseen tarkoitetusta RG-174-kaapelista aina paksuihin, vähähäviöisiin, vaahto- tai ilmaeristeisiin kaapeleihin asti. Hinta kasvaa paksuuden ja vähähäviöisyyden mukana eli myös lompakko sanelee kaapelin valintaa. Häviöt kasvavat voimakkaasti taajuuden kasvaessa. Alabandeilla vaatimatonkin kaapeli (esim. RG-58) on käyttökelpoinen, mutta yläbandeilla ja varsinkin V/UHF-alueilla kannattaa kaapelin laatuun panostaa.

Kaapelin paksuuden kasvaessa kasvaa myös sen paino ja näin myös sen syöttöpisteeseen tuottama rasitus. Kuvassa 5 nähdään erilaisia tapoja liittää syöttöjohto syöttöpisteeseen. On tärkeää, että kaapelille on järjestetty vedonpoisto, jotteivat sähköiset liitännät, juotokset tai ruuviliitännät, joudu mekaanisen rasituksen alaisiksi. Jos syöttöpisteessä on UHF- tai N-runkoliitin, käy syöttöjohdon kiinnitys, irrotus tai vaihto helposti. Varsinkin alabandien dipoleissa kannattaa painon ja hinnan vuoksi valita ohuehko kaapeli. Ero häviössä paksuun kaapeliin verrattuna on kohtuullisilla kaapelin pituuksilla vain joitakin desibelin kymmenyksiä. Syöttöpisteen paino on kuitenkin huomattavasti pienempi ja pitkäkin dipoli voi roikkua vapaasti päidensä varassa. Toinen mahdollisuus on järjestää dipolin keskikohtaan kolmas tuki, jolloin syöttöjohdon painolla ei ole väliä. Tämä keskimmäinen tuki voi myös olla ainoa korkealla oleva tuki, jolloin dipolin päät laskeutuvat parin metrin korkeuteen. Tällöin puhutaan ”inverted-Vee”-dipolista.

Valitaan syöttöjohdon kiinnittämiseen sitten juotos tai ruuviliitos on liitosten, erityisesti koaksiaalikaapelin pään, tiivistäminen erityisen tärkeää. Tämän voi tehdä esimerkiksi itsevulkanisoituvalla teipillä ja hyvälaatuisella sähköteipillä (esim. Scotch 33). Syöttöjohto johdetaan antennista kohtisuoraan poispäin.

Syöttämällä antennia vähähäviöisellä avo- tai parijohdolla (esim. ns. tikapuujohdolla) voi antenninsovituslaitteen avulla käyttää samaa dipolia monialueantennina (kuva 8).

Baluunit

Kun symmetristä puoliaaltodipolia syötetään suoraan epäsymmetrisellä koaksiaalikaapelilla (kuva 1), jakautuu manttelin sisäpintaa pitkin kulkeva virta kahteen osaan: dipolin puolikkaaseen menevä virta ja manttelin ulkopintaa pitkin palaava virta. Manttelin virrat pysyvät erossa toisistaan, koska virranahtoilmiön vuoksi RF-virrat kulkevat vain manttelin hyvin ohuessa pintakerroksessa (sisä- tai ulkopinta). Jos kaapeli kulkee pois antennista siihen nähden epäsymmetrisesti, esimerkiksi vinossa dipolin toisen puolikkaan alta, siirtyy siihen antennin säteilemää energiaa, joka myös saa aikaan tätä manttelivirtaa.

Kuva 9. Lanka-antennin syöttäminen koaksiaalikaapelin ja baluunin avulla.

Koaksiaalikaapelin ulkopintaa pitkin palaava manttelivirta kulkee syöttöjohtoa pitkin lähettimen runkoon ja sitä kautta sähköverkon maadoitusjohtimeen. Manttelivirta aiheuttaa epätasapainon dipolin haaroihin menevissä virroissa ja se vaikuttaa sitä kautta antennin säteilykuvioon. Paluureitti toimii myös antennina, joka säteilee RF-energiaa. Koska näin säteilyä tapahtuu myös aseman ja talon sisäpuolella, voi se aiheuttaa häiriöitä muissa sähkölaitteissa.

Dipolin tapauksessa säteilykuvion häiriintyminen on onneksi pientä ja joskus siitä voi olla jopa hyötyä: dipolista kohtisuoraan alaspäin lähtevä syöttöjohto tuo säteillessään antennin säteilykuvioon myös vertikaalisen komponentin. Myöskään häiriöt sähkölaitteissa eivät välttämättä aina ole ongelma; tämä on tosin tapauskohtaista.

Kuva 10. 1:1-virtabaluunin kytkentäkaavio.
Kuva 11. Tehdasvalmisteisessa baluunissa on säältä suojatussa kotelossa kiinnityskohdat antennilangoille ja ripustusnarulle sekä liitin syöttöjohdolle.

Manttelivirran voi katkaista baluunilla (kuva 9). Baluuni sovittaa symmetrisen (”BALanced”) antennin ja epäsymmetrisen (”UNbalanced”) syöttöjohdon toisiinsa. Samalla baluuni katkaisee manttelivirran lisäämällä sen reitille riittävän suuren induktiivisen reaktanssin. Toteutustapoja tähän on useita. Yksinkertaisin ratkaisu on kiertää syöttöpisteessä koaksiaalikaapelia kymmenkunta kierrosta ilmakelaksi. Joskus tämä riittää, mutta tehokkaampi ratkaisu on kiertää koaksiaalikaapelia tai antennijohtoa ferriittirenkaalle (kuva 10). Pieniä ferriittirenkaita voi myös pujottaa koaksiaalikaapelin päälle. Erityyppisten baluunien mitoitusohjeita on esitetty ARRL Antenna Bookissa.

Baluuni ei ole antennin välttämätön osa, mutta sen poisjättämiselle ei ole hyviä syitä; monet potentiaaliset ongelmat saa estettyä baluunilla jo etukäteen. Baluunin voi rakentaa itse ja koteloida sen vesitiiviisti. Baluunin voi myös ostaa valmiina, jolloin säänkestävyydestä voi olla varma; lisäksi näissä valmiissa baluuneissa on yleensä liitin koaksiaalikaapelia varten (yleensä UHF-runkoliitin), kiinnityskohdat antennijohdoille sekä kiinnityskohta mahdollista ripustusnarua varten (kuva 11).

Lähteet

  1. Rudy N6LF, QEX, March/April 2018
  2. Kauko OH6ND, Radioamatööri, 1/2013

Kuvat 1, 5, 8 ja 9: “Copyright 2018 ARRL, 2018 Radio Amateur’s Handbook, used with permission.”

Julkaistu CC BY-NC-ND 4.0 -lisenssillä.