OH6DDR HF:lle – T2FD-antenniprojektin tarinoita

Jyväskylän Hacklabin oma radioasema OH6DDR sai viimeinkin valmiuden kuunnella ja lähettää HF-taajuusalueella.

Rakentelimme Joelin (OH64K) ja Miikan (OH6BPL) kanssa labin radioasemalle antenniksi terminoidun taittodipolin, joka tunnetaan myös lyhenteellä T2FD. Sen avulla on mahdollista kuunnella ja lähettää laajalla taajuusalueella noin kolmesta megahertsistä 30 megahertsiin asti, jota kutsutaan HF-taajuusalueeksi.

Mikä on HF?

HF tulee sanoista high frequency. Termillä on historiallinen painolastinsa, kun radion alkuaikoina korkeana pidetty taajuus ei ole enää nykypäivän mittapuulla kovin korkea. Nykyisin on käytössä paljon korkeampiakin taajuuksia, esimerkiksi WLAN-verkot toimivat yleisesti 2,4 ja 5 gigahertsin taajuusalueilla.

HF-alueen tekee kuitenkin erityiseksi se, että sillä on mahdollista saada yhteys näkyvän horisontin taakse, eli kuulla kaukaa tulevia signaaleja (ja lähettää omansa takaisin). Tavallista on kuulla esim. eurooppalaisia asemia, mutta parhaimmillaan signaali voi kulkea maapallon toiselle puolelle ja ylikin – saatat kuulla maapallon ympäri kiertäneen lähetteesi kaiun!

Radioaallot heijastuvant ionosfääristä ja osuvat takaisin maahan.

Australian ilmatieteen laitoksen kuva HF-taajuuksien heijastumisesta

Yhteydet ovat suoria, eli niitä ei vahvisteta matkalla tai ne eivät kulje dataverkkojen kautta, vaan vastaanottaja saa juuri saman signaalin kuin mikä lähti omasta antennistasi. Tämä tekee harrastuksesta kiehtovaa – radiosignaalin saaminen luotettavasti kauas vaatii taitoa ja hyviä radiokelejä. Onnistuminen on siis viime kädessä kiinni omasta osaamisestasi ja kalustostasi, höystettynä hyvällä tuurilla.

Ja lisäksi – koska radio ei ole riippuvainen muiden laitteista tai yleisten dataverkkojen toiminnasta, se toimii myös, vaikka muut tietoliikenneverkot lamaantuisivat.

HF-alueen kalustoa on myös suhteellisen helppo rakentaa ja modifioida itse: toleranssit ja komponenttien vaatimukset ovat maltillisia, tarvikkeet kohtuuhintaisia, ja alkuun pääsee helposti. Haasteena on vastaavasti aallonpituus, eli antennit ovat kookkaita, usein kymmeniä metrejä pitkiä.

Mitä sillä voi tehdä?

Tällä hetkellä Hacklabin asemalla on siis valmius työskennellä HF-alueella 7 megahertsistä ylöspäin. 7 MHz taajuusalue toimii parhaiten ilta- ja yöaikaan ja siellä kuulee usein eurooppalaisia asemia. Päiväsaikaan yhteydet ulkomaille onnistuvat 14 megahertsillä.

Asemalla on valmius liikennöidä puheella, sähkötyksellä, sekä digitaalisilla lähetelajeilla eli digimodeilla. Myös kuuntelu onnistuu kohtalaisesti ainakin neljästä megahertsistä ylöspäin.

Asemalla on käytössä mm. Kenwood TS-590S -lähetinvastaanotin sekä sähkötysavain. Lähettimen maksimiteho on 100 wattia ja siinä on USB-portti, jolla radio on helppo liittää tietokoneeseen digimodejen käyttöä varten. Toisinaan radiona käytettävissä on myös Kahvikellon omistama Icom IC-7100.

Periaatteessa antennin saanee jotenkuten toimimaan myös 3.5 megahertsin alueella, joka toimii parhaiten ilta- ja yöaikaan joidenkin satojen kilometrien mittaisiin yhteyksiin pääosin kotimaassa. Aseman sijainnista johtuen siellä on kuitenkin paljon häiriöitä ja voimakkaan kohinan seasta on vaikea erottaa oikeita signaaleja. Esimerkiksi sähkötys ja huonoa signaali-kohinasuhdetta sietävät digitaaliset lähetelajit saattavat toimia. Tällä alueella antenni myös säteilee heikommin ja tehoa kuluu päätevastuksessa enemmän, mikä pitää ottaa huomioon mm. lähetystehoa valitessa. Antenniviritintä pitää ehdottomasti käyttää.

Miksi rakensimme T2FD:n?

Koko ajatus T2FD-antennin rakentamiseen lähti Sandrolta (OH6UAV), joka halusi asentaa Hacklabin OH6DDR-radioasemalle yksinkertaisen päästäsyötetyn lanka-antennin HF-työskentelyä varten. Antennin paikka katsottiin valmiiksi ja sopiva seinäkiinnike asennettiin, mutta antenni ei mennyt vireeseen, mikä viittaa siihen, että katolla ei ollut tarpeeksi hyvää maatasoa saatavilla. Tämä johtui todennäköisesti siitä, että antennimaston maadoituskaapeli kulki antennin suuntaisesti muutaman metrin päässä antennista.

Kuitenkin samaan aikaan muissa inventaarioissa sattui allekirjoittaneen bonkeista löytymään sopiva baluni, mistä ajatus T2FD-antenniin lähti. Enää tarvittiin sopiva päätevastus, ja loput tarvikkeet löytyisivät paikallisista kaupoista.

Mikä tahansa vastus ei antenniin käy, sillä vastuksen on oltava induktanssiton. Useimmat helposti saatavilla olevat tehovastukset on tehty kiertämällä vastuslankaa kelalle, mikä ei normaalissa tasasähköpiirissä haittaakaan mitään. Sen sijaan vaihtosähköpiireissä kelan induktanssin aiheuttaman vaihtovirtavastuksen suuruus riippuu taajuudesta, mikä ei antennia rakennettaessa käy päinsä. Sopivaksi vastukseksi todettiin Riedonin valmistama 100 wattia kestävä RF-vastus, jollaisia tilattiin Digi-Keyltä Yhdysvalloista.

kuva päätevastuksen kokoonpanosta

 PF-2472 -päätevastuksen hieman proof-of-concept -tyyppinen asennus.

Suunnilleen tässä vaiheessa antennin rakentamista pohdittiin uudelleen sopivaa vastuksen arvoa ja sen perusteella todettiin, että löytynyt baluni ei ollutkaan ihan sopiva. Baluni (”balanced to unbalanced”) on komponentti, eräänlainen muuntaja, joka radioiden tapauksessa yhdistää (hienosti sanottuna sovittaa) antennin radioon menevään syöttöjohtoon. Tällöin baluni toimii antennin syöttöpisteenä. Käytännössä baluni on kuparilankaa sopivasti käämittynä toroidin ympärille.

kuva uudelleenkäämitystä balunista

Valmis uudelleenkäämitty 9:1-baluni.

Pienen tuskailun jälkeen löydettiin labin suuresta ja painavasta muuntajalaatikosta sopivaa kuparilankaa ja netistä speksit, joilla baluni saatiin käämittyä sopivaksi. Tämä olikin ehkä koko projektin aikaavievin osuus. Toinen tuskailun paikka oli, kun mistään varastoista ei meinannut löytyä sopivilla liittimillä varustettua syöttöjohtoa.

kuva antennista asennettuna

Labin T2FD-antennin asennus meni myöhään, joten tässä ehkä paras vähiten hämärä kuva. Antennin toinen pää on kiinnitetty seinään lähelle tikapuita.

Lisäksi tarvikkeina käytettiin pleksiä, josta valmistettiin kiinnityslevyt balunille ja päätevastukselle. Päätevastus kiinnitettiin palaan alumiiniprofiilia paremman jäähdytyksen aikaansaamiseksi. Antennilangaksi haettiin halpaa MK-tyypin sähköjohtoa, joka kiinnitettiin vaijerilukoilla plekseihin ja erotettiin toisistaan sopivalle etäisyydelle ohuehkolla viemäriputkella. Lopulta koko vajaa 19-metrinen aikaansaannos ripustettiin päistään lippunarulla seinäkiinnityspisteen ja kattomaston väliin.

Kun ripustamisen jälkeen antennianalysaattori näytti järkeviä lukemia, Reverse Beacon Network raportoi kuulevansa aseman signaalin hyvin useassa paikassa ympäri Eurooppaa ja radiokin vastaanotti ulkomaista RTTY-signaalia paremmin kuin kelvollisesti, oli ilo todeta että antenniprojekti on valmis, tai saavuttanut ainakin yhden päätepisteen. Radiokelit eivät testauksen aikana kovasti suosineet, mutta siitä huolimatta OH6DDR:n ensimmäiset HF-yhteydet tulivat antennin testauksen yhteydessä saman tien pidetyiksi sähkötyksellä.

Nyt asemalla on pysyvä mahdollisuus työskennellä HF-alueella. Kohinataso vaikutti etenkin kaupunkialueeksi varsin matalalta – paitsi 3.5 MHz:n alueella, jossa pohjakohina oli tyypillistä S9:n luokkaa (eli liikaa). Toisaalta kyseinen alue ei enää kuulukaan antennin tehokkaaseen toiminta-alueeseen.

SWR-mittarin käyrä antennista

Labin T2FD-antennin SWR- eli seisovan aallon suhteen käyrä. Pienempi on parempi, ja 3 ja alle ovat kelvollisia arvoja. Ensimmäinen dippi on mukavasti noin 7 megahertsin kohdalla.

Antenni on käytännön prototyyppi ja parantamisen varaa jäi. Kiinnostavia asioita ovat antennilangaksi valitun johdon kestävyys ja venyvyys, kuten myös muiden komponenttien mekaaninen kestävyys. Seuraavassa versiossa päätevastuksen kotelointi ja lämmönjohtavuuselementit ovat luultavasti paranneltavien listalla. Antennin sähköiset ominaisuudet vaikuttavat ainakin alkusilmäyksellä hyviltä, mutta aika ja laajempi käyttö näyttävät sen todellisen suorituskyvyn.

Mainittakoon vielä, että radioaseman käyttö vaatii luvan. Jos sinua kiinnostaa kokeilla asemaa tai hankkia lupa, nykäise Hacklabilla hihasta asemavalvoja Kahvikelloa (Miika, OH6BPL) tai lähetä sähköpostia allekirjoittaneelle (oh6va). Muita luvallisia Hacklabilla ovat mm. Zouppen (Joel, OH64K) ja Morphex (Sandro, OH6UAV).

Jos haluat itse kokeilla tehdä kyseisenlaisen antennin, päätevastuksia on vielä jäljellä ja muiden komponenttien ja tarvikkeiden hankintaan löytyy myös apua.

Mutta miksi alkuperäinen baluni ei kelvannut?

Aiemmin mainittiin pelkästään, että alkuperäinen baluni ei kelvannut ja se piti käämiä uudelleen. Tässä antenniteoriaa hieman tarkemmin selitettynä.

Radioissa balunia käytetään yleisimmin antennin sovittamiseksi syöttöjohtoon. Tarkemmin sanottuna baluni muuttaa balansoimattoman signaaleja kuljettavan siirtotien balansoiduksi ja toisin päin. Balansoidussa siirtojohdossa, esim. suorassa parikaapelissa, molemmilla johtimilla on sama impedanssi eli vaihtovirtavastus, kun taas balansoimattomassa siirtojohdossa, esim. koaksiaalikaapelissa, johtimien impedanssit eroavat toisistaan. Tällaisissa muutoskohdissa on siirtojohtojen sovitus toisiinsa huomioitava, tai signaali ei kulje kunnolla.

Radioiden tapauksessa usein antennin ja radion yhdistävä koaksiaalikaapeli, syöttöjohto, on balansoimaton siirtotie, ja antennin dipolihaarat järjestelmän balansoitu osa. On myös olemassa balansoimattomia antenneja, esimerkiksi jo mainittu päästäsyötetty lanka-antenni. Tällaiset antennit vaativat balunin sijaan ununin (”unbalanced to unbalanced”).

Radiot suunnitellaan käyttämään syöttöjohtoja, joiden impedanssi on 50 ohmia. Niin kauan kun koko siirtotie pysyy suhteellisen lähellä 50 ohmia, signaali kulkee helposti, mutta jos impedanssi jossain kohdassa muuttuu, tulee kohtaan epäsovitus ja signaalin kulku vaikeutuu sitä enemmän, mitä suurempi hyppäys eri impedanssien välillä on.

Yleensä tällainen hyppäys on juuri siinä kohdassa, jossa syöttöjohto kohtaa antennin, ja tämän sovituksen tekemiseen tarvitaan baluni (tai ununi). Käytännössä halutaan saada 50 ohmin syöttöjohto muunnetuksi mahdollisimman lähelle syöttöpisteen impedanssia, joka on ominainen kullekin antennityypille.

Balunin sovitussuhteen määrittää siis impedanssien ero; mitä suurempi on syöttöpisteen impedanssi, sitä suurempi sovitussuhde tarvitaan.

Tässä tapauksessa päädyimme valistuneen arvauksen perusteella käyttämään 500-ohmista päätevastusta. Konsensus vaikuttaa olevan, että päätevastuksen impedanssin täytyy olla luokkaa 5-10 % syöttöpistettä korkeampi, ja siksi päätimme sovittaa syöttöpisteen 450 ohmin impedanssiin 9:1-balunilla.

Alkuperäinen 4:1-baluni olisi sovittanut 50-ohmisen syöttöjohdon noin 200-ohmiseen kuormaan, ja tämä vaikutti 500-ohmiselle päätevastukselle aivan liian pieneltä. Balunien tekeminen ei ole sinänsä mitenkään vaikeaa, mutta kun 4:1-balunille ei ollut tulevaisuudessakaan nähtävää käyttöä, paremman puutteessa päätimme käyttää sen uudelleen.