UA9BA Design 160m Spitfire antenna

The start of the project

Sergey UA2FW called me on phone one evening in late August 2020 and invited me to the group of fine operators for the CQWW CW 160m 2021 CONTEST. He also asked if I was willing to propose and design a transmitting antenna that would be as good or better than a regular 4SQ and also help out with layout of a transmitting and receiving sites on the available property. I agreed on both invitations and started to work on the antenna design.

The choice in favor of a spitfire

Я не буду подробно описывать, как мы с Сергеем пришли к решению построить совершенно новый сайт TX/RX 160m на UA2FW для конкурса CQWW 2021, пренебрегая уже существующим и полностью доступным сайтом с полноразмерным 4SQ со многими напитками вокруг, но победили с неизбежным искусственным шумом и не очень хорошими профилями местности в основных направлениях. Хорошей вещью в этом проекте было наличие большого количества земли (около 80 акров или около того), поэтому земля не была ограничивающим фактором вообще. Однако в этой статье я скорее сосредоточусь на описании конструкции передающих антенн.
Выбор типа передающей антенны был довольно интересным процессом. Ограничивающими факторами были следующие: с практической точки зрения - у нас было всего 5 месяцев, чтобы спроектировать и построить эффективную антенну TX на 160 - метровом диапазоне-это должна была быть вертикально поляризованная антенна, антенна должна была иметь возможность одновременной передачи по крайней мере в двух направлениях по выбору оператора с коэффициентом усиления, превышающим обычный 4SQ, азимутальная диаграмма должна охватывать все основные целевые районы, такие как Северная Америка, Карибский бассейн, Южная Америка, Япония и Юго-Восточная Азия с Австралией и Новой Зеландией позади, Африка с Ближним Востоком и глубоким Тихим океаном.
"Обязательно" для любой одновременной передачи в двух направлениях было самой трудной функцией, которую можно было удовлетворить. Как только я понял это, я пришел к решающему решению - передающая антенна должна состоять из двух отдельных антенн. Самым простым и простым решением этой дилеммы была пара 4sq. Но как насчет выигрыша, который должен превышать 4SQ?
Однажды я построил двухэлементную вертикальную решетку с половинным разделением длин волн между элементами. Это было в середине 90-х, когда мы были активны как RZ9AZA. Мы либо подавали элементы в фазе, либо вне фазы (180 град. сдвиг фазы), а антенна была настоящим убийцей на верхнем диапазоне. Вспоминая этот опыт, зная о приближении VY2ZM в его волшебном QTH на острове Принца Эдуарда, я в какой-то момент подумал о двух спитфайрах, горизонтально сложенных на длине волны 0,5. Я тут же сел за компьютер и быстро смоделировал антенну. Человек! Как же я любил эти цифры! 8,5+ дБи усиления против 6,2+ обычного 4SQ с разумным отношением фронта к спине, превышающим 25 дБ на расчетном частотном сегменте. Поэтому я сразу понял, что нашел решение этой задачи.

Антенна spitfire

В этой главе я объясню, почему паразитные элементы - директор и отражатель - были сделаны из сложенных элементов. Давайте посмотрим, как выглядит обычный spitfire и как реализация сложенных паразитных элементов улучшает его эксплуатационные характеристики.
Сначала мы изучим характеристики типичной антенны spitfire, выполненной из ведомого элемента высотой 49,266 метра 200 мм OD (так же, как и в установленной антенне) с паразитным директором и отражателем, выполненными из одиночных проводов 4 мм OD. Смотрите его на рисунке 1 ниже.

Рисунок 1

Я оптимизировал обе антенны - классическую spitfire и сложенную - в одном и том же диапазоне частот от 1810 кГц до 1900 кГц с одинаковыми целями оптимизации - входным сопротивлением 75 Ом и равными передними и задними числами на краях полосы (1.810-1.900 МГц), чтобы мы могли сравнить их производительность. Интересующие нас параметры были проанализированы и сопоставлены - полоса пропускания КСВН 1,5:1, кривая усиления, кривая F/B и паттерны. Смотрите их для типичного spitfire на рисунках 2, 3 и 4. (Имя файла MMANA для этого файла - " SPITFIRE 160 REGULAR PARASITES.maa")

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Ну, это довольно аккуратные кривые и цифры для такой простой антенны, не так ли? Но давайте посмотрим на рис. 6, 7 и 8, как они выглядят с паразитами, выполненными из сложенных элементов с проводами диаметром 2 мм, как показано на Рис.5. (Имя файла MMANA для этого - "SPITFIRE 160 WIDEBAND PARASITES.maa").

Рисунок 5

Рисунок 6

Рисунок 7

Рисунок 8

Можно видеть заметную разницу в пользу модели сложенных паразитных элементов-полоса пропускания КСВН 1,5: 1 выросла почти до 100 кГц, кривая усиления показывает увеличение на 0,1 дБ, а F/B также выше по краям диапазона частот более чем на 3 дБ в пределах полосы. Таким образом, это превосходство было причиной, по которой я выбрал сложенный тип паразитов для spitfire.

Укладка двух Спитфайров бок о бок

Расстояние укладки было легким делом. Из книг я знал, что для двухэлементных рамок с антеннами, подаваемыми в фазе, компромисс между чистым рисунком главных лепестков с второстепенными лепестками менее 13 дБ и самым высоким коэффициентом усиления лежит в пределах 0,65-0,75 длины волны расстояния. И действительно! Моделирование MMANA показывает усиление 9,3 дБ при ширине луча-3 дБ 41 градус на расстоянии 0,75 длины волны. Это же огромные цифры! Но с другой стороны, например, отпечаток ноги США из Палм-Бич, штат Флорида. в Сиэтл, штат Вашингтон. виден из Калининграда (UA2F) в пределах отрезка азимутальных углов 41 градус. И мы знаем, что работа США на верхнем диапазоне из Восточной Европы-очень сложная задача, поэтому каждый 0,1 дБ имеет значение.

Азимутальная карта мира с центром в UA2FWs

Так вот, я только что принял решение, что дистанция будет 85 метров. Не 95, не точная половина длины волны 82+ метров, а всего 85. Ширина луча -3 дБ с этим горизонтальным расстоянием между двумя антеннами spitfire составляет 55 градусов с коэффициентом усиления, который по-прежнему показывает большое число 8,6+ дБ. Смотрите схему на рисунке 9 ниже.

Рисунок 9

На самом деле, эта картина очень похожа в плоскости азимута на ту из 5 элементов 20 м Яги на короткой 12,5-метровой стреле. Этот факт действительно поразил меня, когда я обнаружил его во время работы над этим проектом. Ну разве это не удивительно!
И все же, если бы мы направили такую антенну прямо в середину отпечатка ноги США, штаты Флорида и Вашингтон получили бы от антенны на 1,7 дБ меньше мощности, чем штаты Среднего Запада, и это было бы абсолютно неприемлемой ситуацией, по крайней мере, насколько я понимаю. Тогда я просто подумал об операциях ВЧ-диапазона с высоконаправленными антеннами, где ОП должен вращать антенну как сумасшедший в течение всего периода соревнования. Итак, почему бы не использовать ту же технику на верхней полосе частот, но с фазированной двухэлементной антенной решеткой, которая может быть сканирована электронным способом в ограниченном диапазоне углов. Мне понравилась эта идея, и мы внедрили эту функцию в антенну. См. паттерны на рис. 10.

Figure 10

As one can see the main lobe gain at its peak, when tilted by 13.5 degrees is only 0.15 dB down from the "in phase" position and is, making a -3 dB point appear at 41 degrees, thus making overall beam width of the array a respectable +/- 41 degrees or a total value of 82 degrees. Now the Florida and Washington stations will only suffer a 0.3 dB of signal strength loss when compared to Mid West stations. Now I was ready to accept it as a good compromise.

Practical design of a two element collinear spitfire array at UA2FW

You can see the antenna with some dimensions shown on Figure 11. This is the drawing of the "SPITFIRE COLLINEAR ARRAY" installed in quantity of two - one for azimuth angles 305, 125 the other one for 65, 245 - at UA2FW specifically for the CQWW CW 160m CONTEST 2021.

Figure 11

I must explain the chosen height of the center driven element of 49.266 meters. This height ensures higher values of active part of the input impedance of the antenna, thus making it more efficient minding the ground losses, yet presenting a rather small positive reactance at the base which is easy to compensate with practical value capacitors of reasonable reactive power handling ability (we did the job with the ceramic ones, so no expensive vacuum ones - nicely looking attractions for thefts - were needed). The MMANA file for the array that was installed is named " 2 x 3el gp160 for cqww 160 2021 @ ua2fw's FINAL.maa". You can extract all the dimensions from the file. The performance curves and numbers of the antenna can be seen on Figures 12, 13, 14, 15.

Figure 12

Figure 13

Figure 14

Figure 15

Pattern control switch box circuit diagram can be seen on Figure 16 and truth table for the whole array is shown on Figure 17.

Figure 16

Figure 17

Don't fool around with steel guy wires broken by ceramic insulators

Once the array was up and running (Monday, Jan. 25th 2021 i.e. 4 days before the contest start) I being at my Ural Mountains home and Sergey UA2FW together with Vladimir RU2FJ on the transmitting antenna site in Kaliningrad did on the air test. I wanted to see if the deep Front-to-Back frequency range was in its place 1.810 - 1.850 MHz and additional adjustment of the parasitic elements wasn't needed. Boy, was I disappointed with the performance of the collinear array! The F/B ratio didn't go higher than 1.5 S-unit on my K3 with signal from UA2FW of s9+10 dB (The TX they had at the time was FT2000 at 200 Watts output) on any frequency of the band. That was really bad news. It took me some hours to try to figure out where the mistake had occurred. I finally thought of the guy wires for the parasites at the tops of the 49m towers, at the angles 3.76 meters above ground and at the lower ends of parasites. All these guy wires were made of steel wires 5 mm OD each wire with two ceramic insulators at both ends. The longest wires were keeping the upper ends of parasites to the tops of tower and they measured 7 meters in length - less than 0.05 wavelength. I have had written but never published an article on bad effects of steel guy wires with insulators on performance of the antennas. I hope one day I will make up my mind to finish that article. In any way to mare a long story short I modeled the guy wires (I knew the values of leakage capacitances of the insulators Sergey used) and was amazed at the patterns I saw on the screen. See it on Figures 18 and 19.

Figure 18

Figure 19

The guy wires ruined vital characteristics - Gain, F/B, Input Impedance. that was more like a disaster! I had to make a difficult decision 3 days before the contest. Leave the array as is with almost 1 dB lower Gain numbers and operate it under handicapped condition or tell Sergey to call on the tower guys and order them to replace the steel guy wires with Kevlar type ones, which was an extra expense and another day and a half of delay in final adjustment of the two arrays. So, I told Sergey to replace the guy wires. And he did so, and the numbers got to where they belonged! We did the final fine tuning of the arrays hours before the contest started. So we didn't even do the smoke test. It was our good luck, there was no smoke in the arrays' guts nowhere throughout the contest and it performed very well producing a loud signal in far away destinations with modest power from OM amp shared by the two arrays.

by Vladimir (Willy) Umanets UA9BA from Karataban of Chelyabinsk oblast on February 4th 2021

 https://dxnews.com

SPITFIRE 160 Regular Parasites

SPITFIRE 160 Wideband Parasites

2x3 gp160 for CQWW 160 2021 @UA2FW Final

Photo gallery

Sergey Shikhotarov, UA2FW

49.2m tower

Parasites waiting their turn to go up the 49m tall towers

Reflector-Director switch boxes

 RT2F about to install Reflector -Director switch box pole

Tower alone no parasites

Команда башни за работой