Bakgrund

Sedan många år har jag kört Nya Zeeland på kortvåg på de lägre kortvågsbanden, både långa och korta vägen. Signalstyrkan är ofta hög trots att prognosprogrammet VOACAP anger att signalstyrkan borde vara i det närmaste obefintlig. Den gängse uppfattningen är att vågutredningen sker genom att signalen under större delen av vägen färdas i jonosfären utan att dämpas genom åtminstone fem markreflexer.

Tidigare har det varit fråga om 160 till 40 m, men under senare tid även 60m. Vid gynnsamma omständigheter har det varit möjligt att genomföra SSB-kontakter när ZL-stationerna använt 10W. Vid ett sådant tillfälle har jag tagit en FT-817 och en magnetisk loop och försökt pejla ZL-stationerna. Jag har då inte lyckats få någon bäring alls medan stationer i Europa har haft skarpa dipp och en klar bäring. En given slutsats är att signalerna från ZL kommer med en mycket hög infallsvinkel. Tidigare har en låg dipol under vissa omständigheter gett mycket starkare signaler än en vertikal i ZL och VK.

Det skulle vara intressant att få det bekräftat genom direkta mätningar.

Mätsystem

Under åren har många olika system studerats för att mäta strålningsvinkeln, men varit svåra att realisera i praktiken med begränsade resurser. En tilltalande lösning är en pejl som bygger på interferometermetoden. För att få en entydig mätning avseende riktning krävs minst tre antenner, med fördel placerade som ett L med mindre än en halv våglängds avstånd. För att mäta fasskillnaden mellan antennerna krävs en mottagare med minst två synkroniserade kanaler, som kopplas om mellan de två benen i L:et.

Radioutrustning

På senaste tiden har det kommit SDR med flera kanaler, som är faslåsta till varandra, till överkomliga priser. Det gör det möjligt att mäta fasvinkeln mellan antenner och bygga en pejl som bygger på interferometerprincipen. Sådan utrustning finns att tillgå kommersiellt, t ex från Rhode & Schwartz, men till mycket höga priser.

En tidig tillämpning finns i SM5BSZ (Leif Åsbrinks) system för polarisationsoptimering vid månstuds. Där används hans programvara LINRAD tillsammans med en tvåkanalers SDR från AFEDRI. För kortvåg finns  AFE822x SDR-Net. En tillämpning för kortvåg beskrivs här. Alex på Afedri har även en fyrakanalers SDR, men jag har inte hittat någon mjukvara som kan hantera fyra kanaler.

Tanken var att köpa en AFE822x, men efter kontakt med Alex på AFEDRI visade det sig att det inte gick att få den levererad hem till dörren och jag kunde inte besöka Postnords paketutlämningsställe på grund av Coronapandemin. I stället köpte jag en RSP DUO från SDRPlay. Den fanns på Limmared och kunde fås levererad hem. Till den används programvaran SDRUno, som har en funktion för att styra och även optimera fasen mellan kanalerna.

Fasstyrningen fungerade som avsett dels genom optimering av signalen från två antenner eller att styra fasen för att minimera en störning, som kommer från ett annat håll än nyttosignalen. Däremot var fasförhållandet mellan antennerna helt oförutsägbart. Vid prov med en mätsändare och två antenner separerade med en kvarts våglängd, ska signalerna ha 90 graders fasskillnad när sändaren befinner sig längs förbindelselinjen och 0 graders skillnad när den befinner sig vinkelrätt mot förbindelselinjen. Efter kontakt med SDRPlay support fick jag reda på att kanalerna är synkroniserade, men vid varje start av ”Diversity mode” uppstår en fast men godtycklig fasskillnad mellan kanalerna (Tuner 1 och Tuner 2). Medan jag laborerade med detta och använde fasta fördröjningsledningar, upptäckte jag att ingångarna på de båda kanalerna påverkade varandra om de var hopkopplade. Det var därför viktigt att separera dem. Jag använde ett enkelt resistornät.

För att kompensera bort den fasta fasskillnaden mellan kanalerna krävs att man kopplar om antennerna mellan kanalerna.

Antag att ϕ₁ är signalen i antenn nr1 och ϕ₂ är signalen i antenn nr2.

Vi söker (ϕ₂ – ϕ₁)

Anslut först antenn nr 1 till Tuner1 och antenn nr 2 till Tuner2. Låt k vara den fasta fördröjningen.

Den avlästa fasskillnaden i SDRuno är ϴ₁.

Anslut därefter nr 1 till Tuner2 och antenn nr2 till Tuner1.

Den avlästa fasskillnaden är då ϴ₂.

Det illusteras nedan:

Alltså är (ϕ₂ – ϕ₁) = (ϴ₂ – ϴ₁)/2

Här måste man ta hänsyn till villkoret att fasskillnaden aldrig kan vara större än det elektriska avståndet mellan antennerna vilket kan synas vara fallet på grund av den obestämda konstanten k.

Exempel:

ϴ_1ͦ = 340° och ϴ₂ = 10°.  (ϴ₂ – ϴ₁)/2 är då antingen 165° eller 20°. Om avståndet mellan antennelementen är mindre än 165° t ex 90° för λ/4 så väljer man 20°. Fasen ϕ₂ är då större ϕ₁ och signalen når först antenn 1 och därefter antenn 2 enligt nedan.

Om (ϕ₂ – ϕ₁) > 0 så kommer signalen först till antenn nr 2 och därefter till antenn nr 1.

Om (ϕ₂ – ϕ₁) < 0 så kommer signalen först till antenn nr 1 och därefter till antenn nr 2.

Om (ϕ₂ – ϕ₁) = 0 så kommer signalen samtidigt till antenn nr 1 antenn nr 2.

Motsvarande beräkning görs för det andra benet i L:et och vi kallar (ϕ₃ – ϕ₁) för ϴ_3.

Det vill säga och (ϕ₃ – ϕ₁) = (ϴ₃ – ϴ₁)/2

Beräkning av vinklarna

Azimutvinkeln α beräknas som:

α = arctan((ϕ₂ – ϕ₁)/ (ϕ₃ – ϕ₁)) grader

Infallsvinkeln β beräknas som:

β = arccos(√((ϕ₂ – ϕ₁)²+(ϕ₃ – ϕ₁)²)/(L*360/λ)) grader

Där λ är våglängden och L är avståndet mellan antennerna.

Praktiska svårigheter

Känslighetsanalys

Små fel i avläsningen av mätvärdena ger stora fel i resultatet, speciellt för infallsvinkeln β.

Ett räkneexempel:

Antag att en inkommande våg har en azimutvinkel α på 45 grader och en infallsvinkel β på 20 grader. Avståndet L mellan antenn 1 och 2 och antenn 1 och 3 är 90 grader ( tex 10,7 m på 7 MHz).

Då skall (ϕ₂ – ϕ₁) = (ϴ₂ – ϴ₁)/2 och (ϕ₃ – ϕ₁) = (ϴ₃ – ϴ₁)/2 vara lika och ha värdet 59,8 grader.

Variationer i signalen gör att avläsningen är mycket svår.

Antag att (ϴ₂ – ϴ₁)/2 mäts till 50 grader. Ett litet fel när man försöker mäta på en varierande signal.

Och att (ϴ₃ – ϴ₁)/2 mäts till 55 grader. Ett mycket litet fel i avläsningen.

Genom att sätta in dessa värden i formlerna ovan fås att α uppmätes till 42 grader. Inte så mycket fel mot det verkliga α, som är 45 grader. β däremot fås till 34 grader, vilket skiljer mycket mot det verkliga värdet på 20 grader.

Diversityfunktionen i SDRUno

Det visar sig också att den automatiska optimeringsfunktionen i SDRUno inte duger för annat än mycket starka och stabila signaler för att hitta ϴ. Värdet fladdrar väldigt och det krävs mätserier över flera minuter med många tiotals mätvärden för att få ett statistisk riktigt värde. Därför måste man använda Diversityfunktionen manuellt och mäta på minimum, som är skarpare än maximum, och subtrahera 180 grader från mätvärdet. Även så ställer en viss hysteres i amplituden till problem när man ska finna ett skarpt minimum i SDRUno.

Mätplatsens topografi och markförhållanden

Min mätplats är uppe på ett berg med relativt branta sidor och en ojämn bergig terräng i omgivningarna. Idealet är ett flackt fält med stor utsträckning. Hur mycket det påverkar mätningarna är inte utrett.

En annan sak att ta hänsyn till är markkonduktiviteten. Antennerna är endast känsliga för den vertikala komponenten i den inkommande vågen. Det sker en tilt av vågen när den rör sig över markytan. Tilten är större ju sämre markkonduktiviteten är. Det är därför inte möjligt att mäta låga strålningsvinklar direkt. Kanske man kan kalibrera bort felet med mätsändare. Vid försök med mätsändare på marken ett par hundra meter bort visar dock mätvärdet 0 grader vid mätningar på 80m. Det krävs troligtvis större avstånd. Det är heller inte klarlagt hur mycket tilt det är vid en rymdvåg utan det jag funnit är beräkningar och mätningar vid markvåg. I det fallet är tilten i storleksordningen 10° vid 5 MHz och dålig markkonduktivitet.

Den nämnda tilten används i Beverageantenner.

Ledande objekt i närheten

20 till 30 meter söder om pejlantennerna står en antennmast som totalt är 28 meter hög med antenner i toppen. Det påverkar troligtvis mätvärdena. Okänt hur mycket. En antydan om storleken kan vara att en pejling mot en känd station i Holland på 60 m visade en azimutvinkel på 215 grader när den verkliga är 230 grader.

Antennerna

Först provade jag en magnetisk loop med 1 meters diameter med förstärkare som den här med två transistorer. Avsikten var att ha en vertikalpolariserad antenn som täckte flera amatörband. En fördel är att den fungerar för både låga och höga strålningsvinklar. Nackdelen är att det krävs två loopar per antennplats eftersom de inte är rundstrålande.

Tyvärr var Signal/Brusförhållandet, SNR för dåligt. Kanske berodde en del på korsmodulation.

Nästa försök var med avstämda loopar med en diameter på 2 meter. I det fallet måste man ändra avstämningen vid byte av band. Nu var känsligheten mycket bra och nästan i klass med min halvvågsdipol som sitter 21 meter högt. Nu var det i stället det höga Q-värdet som ställde till problem. Det var i praktiken omöjligt att få samma fasgång över tid i två antenner.

Nu testades en aktiv antenn kallad MiniWhip. Den fungerade fantastiskt bra på mycket låga frekvenser, men på kortvågen var SNR inte tillräckligt bra för att användas för mycket svaga signaler. Genom att öka storleken på E-proben (antennen) kunde signalstyrkan ökas, men SNR förbättrades inte. Kanske på grund av korsmodulation. Eftersom den bara känner den vertikala komponenten i E-fältet är den okänslig för signaler, som kommer med hög strålningsvinkel, t ex lokala signaler på 80m.

Därefter sattes avstämda kvartvågsvertikaler upp för 40, 30 och 20m med gemensam matning. För att inte få problem med olika fasgång mellan antennerna slogs ett kopparrör ned som skulle fungera som ”jordning” och ge förluster och lågt Q-värde. Det visade sig att ledningsförmågan i marken var för dålig vid en antenn. Därför lades ett glest radialnät ut på marken vid alla antennerna. Det bestod av 2×10, 2×7 och 2×5 meter tråd. Matningsresistansen ligger runt 80 ohm dvs markförlusterna ligger på 50 ohm och antennerna är mycket bredbandiga med bra fasgång.

Avståndet mellan antennerna är 10 m och det finns en risk att kopplingen mellan antennerna blir för stor. Därför mättes hur mycket effekt som kopplades över. Det visade sig vara långt under 1%.

40m-elementet förlängdes ca 7 m i sidled, som ett inverterat L. Detta för att öka signalen på 60 och 80m. Då blev utsignalen på 40 väl låg. Därför monterades en spärrkrets för 40m i toppen på det vertikala sprötet och ca 3 meter ut på den horisontella delen en spärrkrets för 60m. Detta för att öka antennsignalen på 60 och 80 meter. Det visade sig då att mätvärdena inte stämde. Dämpmotstånd monterades i botten på vertikalen och i 60m spärrkretsen. Men det hjälpte inte. Så utförandet ändrades tillbaka till en 10m vertikal radiator. Nyttosignalen på 80 och 60m var ändå tillräckligt stor för att överrösta det atmosfäriska och lokala bruset.

Utbyggt antennsystem

Idag 18/10 drifttogs ytterligare ett antennelement, antenn nummer 4 i pejlen. Det är placerat ca 42 meter i 245 graders riktning från antennelement 3. Det består av en 10 meter lång vertikal med 5 10 meter långa motvikter på marken samt ett jordspett. Tanken är att få ett långt ben i sydvästlig riktning för att kunna mäta den vertikala strålningsvinkel mer exakt för signaler som kommer nära från SV eller NO. Antenn nummer 3 har idag den lägsta störnivån och är längst bort från den stora antennmasten.

Antenn 4 matas med ca 63 meter RG-6 med en hastighetsfaktor på 0,66. De övriga antennerna matas med lika långa RG-213- kablar på ca 40 meter.

För att kalibrera bort skillnaden i kabellängd placerades en mätsändare ca 200 meter bort vinkelrätt mot mittpunkten på förbindelslinjen mellan antenn 3 och 4. Mätsändare sände på 3505 kHz och fasskillnaden mellan kanalerna i RSPduo uppmättes till 154 grader vilket alltså är skillnaden i elektrisk längd mellan matningsledningarna till antenn 3 och antenn 4 på frekvensen 3505 kHz.