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研究探讨DIY高性能、昂贵的stepper IR天线的可能性 [复制链接]

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离线bd2bh
 
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只看楼主 倒序阅读 0楼 发表于: 2009-03-13
k7ir stepper ir天线是目前性能最好的天线了,不仅天线即为轻巧,增益高,而且具有极大的自谐振频率覆盖范围。其系列天线中有高性能的垂直天线、d.p天线、八木天线等等。拥有专利的好天线自然很会贵了,4ele的大约4、5000美金。何以如此昂贵呢,莫非有什么新的发明、创新。下面我们就来分析一下这类天线的特点,个人认为有条件的我们完全可以自己diy了。了解、研究透了这种天线,发现其实也没有什么“新意”,呵呵.......。

该天线最大的特点就是是自调谐:比如说一个单元的振子,它可以从6米-20米之间任意自然调谐(有可能甚至40-6m连续覆盖),连续可调。而不需要任何陷波器、自动天调,或者c4s之类无数个振子的并联来拓展频率的范围。其次,就是这类大型八木天线、垂直不用任何金属铝型材来制作。

试想,如果我们有了一个单元如此神奇的天线振子,并将4个此类的振子组合到一起,4单元的八木也就同样具有连续调谐的功能,而绝不用lc之类的集中加载元器件,如何能够实现真的是一个令人振奋到事情。

我们就拿20-6米d.p天线来分析一下天线的工作原理:

首先天线的振子,外表看起来就是一个用纯玻璃钢管构成的,中部馈电的双极天线。所不同的是,玻璃钢管内并没有任何导电天线振子。

其此,天线的核心和所谓的专利就是:一卷弹性很好的铜带,样子跟我们常见的钢卷尺一模一样,不同的是“铜卷尺”是等距离打孔的,好像早期的计算机记录数据的打孔纸带。有专门的齿轮驱动、伸缩----这就是天线振子了。

第三,天线振子盘起来不可能工作的,该天的发明人于是想到了我们曾经看见过、听说过的、甚至实践过的卷尺d.p天线。“铍铜卷尺”d.p天线,这就stepper ir天线最基础的核心技术。

第四,常规的“卷尺d.p”天线工作时,我们需要人为的调整天线的物理尺寸,当然需要天线的两臂具有相同的尺寸。于是stepper ir天线的发明人想到了, 应用机电一体化的步进电机。在单片机的控制下,步进电机带动齿轮,咬合卷尺的带孔,驱动“铜卷尺”在玻璃钢管内伸缩自如,游刃有余。当然同步电机需要驱动天线两臂的“铜卷尺”做同步动作。

好了,我们先从一个单元的d.p实验做起(20-6米波段),看看我们自己diy如何:
材料
(1)5米长的玻璃钢鱼竿2根。要求是鱼竿的最细的末端直径至少要可以容纳“铜卷尺”的直径;
(2)找体积和扭矩比较合适的步进电机,有减速机构更好;
(3)找工厂加工类似磷(铍)铜片的卷尺、铜带打孔;设计驱动齿轮;
(4)单片机设计驱动程序,要求步进电机驱动的振子(铜带)每个波段自动控制,而不用限位开关,可以自动停止;也可以人工的微调,正转、反转等等(方便调整最佳谐振频率);如果单片机设计困难的话,我们可以用二极管矩阵设计工作的“节拍”,达到我们需要每个频点的位置(两臂振子的谐振长度),反正业余频段也很少需要频率的连续可调。
(5)组和成水平的振子的dipole,开始实验...............
天线制作完成~~~~~~~~

呵呵,看我说的很简单,好似一个理想主义者,其实stepper ir天线的工作原理就是如此简单。在这里只是抛砖引玉,给我们有能力的爱好者提个醒,给大家一个想象、并付诸实践的空间。

普通的双极天线,赋予了种机电一体化的新装置,自然让人陌生和新鲜了许多,相信也能激起国人赶超国外先进技术的勇气和信心。

也许很多的人跟我一样,觉得这种专利真的没有什么,我们也能做到,只是我们没有想象到,或者想象到了,而技术、工艺和材料做不到。其实很多新型实用专利就是一张纸,一捅就破。

没有做不到的,只有想象不到的,这个哲理就像赵本山说的“这个可以有”,有的就是自信!!

同样,我们知道爱好者中不乏具有从事计算机控制技术、数控机床加工技术、新材料研发和系统总装等方方面面的专业人才。只是我们如何整装这些技术和人才,发挥其聪明才智。

上述天线制作的工艺,材料、电机、单片机控制技术,现在国内并不是什么稀罕的了。因为在各行各业,这些技术一点也不神秘,都是通用技术处了。同时,n年前军用的自适应天线中,也有类似的,靠电机齿轮驱动的伸缩天线,例如40-10米的垂直天线等等,只是我们放弃了,没有很好的开拓下去.....。

也许是当时的技术和工艺水平,人们想到的只是如何驱动沉重的天线杆的伸缩,呵呵。

谁要动手一定,抓住机遇一定很有前途、很有市场的。无论在业余领域,商用领域,还是军事领域。
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看看图会很有启发的,玻璃钢管没有上图。

更多的图看一下下面的连接:多振子的八木,当然需要多个(卷尺)振子同步时伸缩了!!
http://www.w4gkf.com/steppir/n4dk/
离线BG7NFS
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1057
只看该作者 1楼 发表于: 2009-03-13
进来学习一下
离线bd2bh
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2570
只看该作者 2楼 发表于: 2009-03-13
增益20dbi的Stepper IR天线阵列
很壮观的哦!6个4单元 stepper ir天线阵列。
离线BA7EI
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7096
只看该作者 3楼 发表于: 2009-03-13
如果使用室外型天线调谐器呢?从频率覆盖范围,辐射效率,可靠性,切换频率的速度方面考虑
离线纯外行
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1356
只看该作者 4楼 发表于: 2009-03-13
好像上次黄岩岛上就用过“卷尺”垂直天线!!!!!
离线ahhui
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7459
只看该作者 5楼 发表于: 2009-03-13
这个方案真不错,如果能加工出来机械调谐长度的振子,那么就可以工作在多个波段了。但实际上这种多个波段的天线性能比mono band的还是要差一些,因为振子间距的关系,尤其当波段覆盖范围很宽时,不过这个缺点可以通过增加振子的数量来解决,类似318jr的技术。
离线ahhui
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7459
只看该作者 6楼 发表于: 2009-03-13
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如果使用室外型天线调谐器呢?从频率覆盖范围,辐射效率,可靠性,切换频率的速度方面考虑
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如果长度固定而只用天调调的话,会有2个问题,一是各振子长度会超过1/2波长,方向图、增益和前后比会不满意,除非有条件用计算机模拟和实际测量优化过;二是反射器和引向器的调谐不好处理。
离线bd2bh
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2570
只看该作者 7楼 发表于: 2009-03-13
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这个方案真不错,如果能加工出来机械调谐长度的振子,那么就可以工作在多个波段了。但实际上这种多个波段的天线性能比mono band的还是要差一些,因为振子间距的关系,尤其当波段覆盖范围很宽时,不过这个缺点可以通过增加振子的数量来解决,类似318jr的技术。
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yagi天线引向器、有源振子和反射器之间的距离都有一个优化的过程。想要增益高些,就要牺牲天线的前后比,牺牲天线的有效带宽;想要前后比好的话,天线的增益就要降低一些,这只是对单波段yagi而言。

因为多波段天线通过trap等技术手段,随着频率的改变而改变天线的电气长度,使得天线引向器、有源振子和反射期间的相位符合最基本的要求,这样才能有良好的增益,同时兼顾带宽和前后比的矛盾。

正如您所说的,多波段天线振子间的尺寸是没有办法考虑的、除非你有话调试的必要,因此多波段天线的增益,前后比是没有办法与单波段yagi相比较的,但总体来说,达到了实战使实用的设计效果。

trap类型的的yagi多波段天线同样也有这样的问题,3、4个波段组合在一起;每个波段的前后比和增益都需要进行适当的优化,统筹兼顾。因此,我看看到常见的a3/a4s三个波段间的增益差别并不是很大,只有0.5-1db。

p.s 开个玩笑:等有机会跟stepper ir厂商建议一下,让他们设计的yagi横担上设计个齿轨,象高级轿车方向盘与座位的间距自动调整一样。步进电机除了可以驱动振子伸缩意外,还可以纵向调整天线振子间的距离,达到最佳组合。只怕天线太过迂复杂了,呵呵,性能价格比不高。
离线BA7EI
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7096
只看该作者 8楼 发表于: 2009-03-13
您只介绍了室外天调不适合在八木天线上使用
[quote=ahhui(bd6ivx)]如果长度固定而只用天调调的话,会有2个问题,一是各振子长度会超过1/2波长,方向图、增益和前后比会不满意,除非有条件用计算机模拟和实际测量优化过;二是反射器和引向器的调谐不好处理。[/quote]

如果是用在偶极天线或者在垂直地网天线上呢?不能只说室外天调不适合在八木天线上使用而不提室外天调适合在偶极天线或者在垂直地网天线上使用吧?


欧美的无线电技术比较先进,为什么欧美军方或者专业侦听站(含中华人民共和国军方)没有采用振子长度连续可调的偶极天线或者在垂直地网天线?

为什么军方或者专业专业侦听站采用对数周期八木天线而不采用振子长度和间距连续可调的八木天线?
离线BA4XA
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3348
只看该作者 9楼 发表于: 2009-03-13
技术来讲真的不难

问题是 有人能帮解决一下铍铜带吗?

其它方面 问题就不大了
离线bd1hp
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1194
只看该作者 10楼 发表于: 2009-03-13
网上搜一下“铍铜带”国内有很多生产厂。江南厂家占多数。
其实用二节5米的卷尺铆接起来,先搞个手摇的40-10米垂直天线也很不错的。1/4、1/2、3/4、5/8波长可任意调整,适合野外单兵作战。
离线ahhui
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7459
只看该作者 11楼 发表于: 2009-03-13
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yagi
trap类型的的yagi多波段天线同样也有这样的问题,3、4个波段组合在一起;每个波段的前后比和增益都需要进行适当的优化,统筹兼顾。因此,我看看到常见的a3/a4s三个波段间的增益差别并不是很大,只有0.5-1db。
p.s 开个玩笑:等有机会跟stepper ir厂商建议一下,让他们设计的yagi横担上设计个齿轨,象高级轿车方向盘与座位的间距自动调整一样。步进电机除了可以驱动振子伸缩意外,还可以纵向调整天线振子间的距离,达到最佳组合。只怕天线太过迂复杂了,呵呵,性能价格比不高。
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您说的没错,318jr设计时多了一根单元,主要就是改善10m振子间距过大的问题。不过对于一般的应用,这些都不是重点。能实现这种结构就是成功了。

你那个建议也很cool,就是机械结构更复杂。建议给stepper ir推介一下。另外还有一个简单的办法,就是多做几个振子,到时候有些振子会缩到完全没有,通过任意组合实现合适的间距,不过这也够复杂的。
离线ahhui
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7459
只看该作者 12楼 发表于: 2009-03-13
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如果是用在偶极天线或者在垂直地网天线上呢?不能只说室外天调不适合在八木天线上使用而不提室外天调适合在偶极天线或者在垂直地网天线上使用吧?
欧美的无线电技术比较先进,为什么欧美军方或者专业侦听站(含中华人民共和国军方)没有采用振子长度连续可调的偶极天线或者在垂直地网天线?
为什么军方或者专业专业侦听站采用对数周期八木天线而不采用振子长度和间距连续可调的八木天线?
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您说的不错,yagi时天调不方便,但这个思路用在gp、dp之类单个单元的天线上非常的好。

专业单位之所以使用对数周期,根本原因就是他们的工作频带是连续的。而业余段是跳跃式的,这也是业余波段少见对数周期的原因(并非没有,只是很少),因为对数周期的宽带优点所带来的牺牲就是相对与同等的物理尺寸下的增益,而连续频带对我们来讲意义不大。
离线bg3pv
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1204
只看该作者 13楼 发表于: 2009-03-14
没看到馈电点怎么接。
离线ahhui
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7459
只看该作者 14楼 发表于: 2009-03-14
一般都是发夹(电感)匹配,当设计的振子长度合适时,各波段可共用一个发夹。
离线bd2bh
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2570
只看该作者 15楼 发表于: 2009-03-14
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没看到馈电点怎么接。
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stepper ir 的dipole 和 yagi等,其振子因为是连续可调的,没有任何缩短,因此效率较高,阻抗几乎可以很好的匹配在 50 ohm, 因为阻抗一旦又不匹配的地方,天线的自动控制装置/手动也可,会驱动振子的长短来弥补。一般的八木随着单元的增多,其阻抗都会低于标准的50 ohm,有的可能只有几个欧姆,因此需要发卡等加感措施进行必要的匹配。

据我了解他们的八木,就是用标准的50欧姆不平横--平衡转换器,或者用空心电缆绕制的choke balun.
离线bd2bh
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2570
只看该作者 16楼 发表于: 2009-03-14
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网上搜一下“铍铜带”国内有很多生产厂。江南厂家占多数。
其实用二节5米的卷尺铆接起来,先搞个手摇的40-10米垂直天线也很不错的。1/4、1/2、3/4、5/8波长可任意调整,适合野外单兵作战。
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想法不错,钵铜带、玻璃钢管等市场上肯定不会缺的。

关键机械减装置,如驱动齿轮等需要很好的设计一番,尽量小巧些。

几段玻璃钢管一组合,手摇的手动版“自适应”天线就成功了。户外活动一定有用武之地!

呵呵,大家一起努力吧。40米玻璃钢便携使用、无论多少段组成,我感觉还是忒长了点(40-6m垂直天线还有可能)不如从20米开始实验为好。

我们可以看看stepper ir ,它的40-6米波段的振子,在20米一下频段设计时,已经让天线“委屈”了,折合、折返使用的。但是我们千万别以为它是折合天线振子(折合振子除了阻抗不同以外,跟单级振子的功效是一样的),其实就是为了缩短天线的尺寸,同时增益不能减少的忒多。
离线BA4RF
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4101
只看该作者 17楼 发表于: 2009-03-14
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如果是用在偶极天线或者在垂直地网天线上呢?不能只说室外天调不适合在八木天线上使用而不提室外天调适合在偶极天线或者在垂直地网天线上使用吧?
欧美的无线电技术比较先进,为什么欧美军方或者专业侦听站(含中华人民共和国军方)没有采用振子长度连续可调的偶极天线或者在垂直地网天线?
为什么军方或者专业专业侦听站采用对数周期八木天线而不采用振子长度和间距连续可调的八木天线?
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我想这跟使用目的不同有关。监听机构或者是军方需要的是宽带的应用,例如宽带接收,宽带跳频等场合,也就是说要在宽带的前提下再尽量满足增益要求。
而2bh介绍的这种天线显然不能满足这个要求。它的好处是振子可以伸缩,因此swr几乎在波段的任意点都可以调节得很低。这个有点解决了窄空间、高增益要求下带宽覆盖的问题。但调谐是需要时间的,显然不能满足快速跳频的要求。
另外一个方面,军方对于可靠性的要求也是比较高的,对于这样的调谐天线,机械结构必然带来可靠性的下降。
离线机器懒猫
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2350
只看该作者 18楼 发表于: 2009-03-14
能否考虑套管伸缩的方式?这样便于两侧振子同步伸缩,不工作时可缩到最短
这样不但振子可伸缩,八木主梁如有必要伸缩调整振子间距
离线bd2bh
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2570
只看该作者 19楼 发表于: 2009-03-14
什么是铍铜带,电气性能怎样
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网上搜一下“铍铜带”国内有很多生产厂。江南厂家占多数。
其实用二节5米的卷尺铆接起来,先搞个手摇的40-10米垂直天线也很不错的。1/4、1/2、3/4、5/8波长可任意调整,适合野外单兵作战。
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铍铜带是一种过饱和固溶体铜基合金,是机械性能、物理性能、化学性能及抗蚀性能良好结合的有色合金。经固溶和时效处理后,具有与特殊钢相当的高强度极限、弹性强度、屈服极限和疲劳极限,同时又具备有高的导电率、导热率、高硬度和耐磨性,高的蠕变抗力及耐蚀性能。因此广泛应用于微电机电刷、手机、电池、电脑接插件、各类开关触点、弹簧、夹子、垫圈、膜片、膜合等产品.