Análisis comparativo de antenas con WSPR
Uso de la red de reporteros de propagación de señales débiles para comparar el rendimiento de la antena
por Dra. Carol F. Milazzo, KP4MD (publicado el 13 de enero de 2011)
Correo electrónico: kp4md@arrl.net
Presentado con Brian Lloyd, WB6RQN en la reunión de la Sociedad de Comunicación de Radioaficionados de River City en
Sacramento, California, 1 de marzo de 2011.
La Weak Signal Propagation Reporter Network es una red mundial abierta de estaciones de radioaficionados que utilizan el modo WSPR concebido por el Dr. Joseph Taylor, K1JT. El modo WSPR está diseñado para sondear posibles rutas de propagación con transmisiones de baja potencia. Las transmisiones normales llevan el indicativo de una estación, el localizador de red de Maidenhead y la potencia del transmisor en dBm. El programa WSPR 1 puede decodificar señales con S/N tan bajas como -28 dB en un ancho de banda de 2500 Hz. Las estaciones con una computadora, un transceptor de banda lateral única y acceso a Internet pueden cargar automáticamente sus informes de recepción a una base de datos central en http://wsprnet.org que incluye listas de estaciones activas, foros, estadísticas y una función de mapeo. Al 13 de enero de 2011, se habían subido a la base de datos 47.508.860 informes puntuales.
| Otros, 2 a 9, han escrito sobre experiencias en la utilización de la red WSPR como herramienta en el análisis del rendimiento de las antenas y la propagación ionosférica. Aquí compartiré observaciones sobre cómo comparar el rendimiento de la antena usando el modo WSPR. LAS ESTACIONES DE COMPARACIÓN Los datos del estudio se recopilaron del 13 al 20 de diciembre de 2010. Mi estación WSPR (KP4MD) consistía en un transceptor Kenwood TS-140s operado con una salida de 5 vatios (37 dBm) y una antena de cuadro horizontal de onda completa de 40 metros a una elevación promedio de 5 m. sobre el suelo (Figs. 1 y 2), descrito con todo detalle en » Computer Assisted Low Profile Antenna Modeling II » . 10 El programa de modelado de antenas 4nec2 predijo principalmente radiación de alto ángulo con una ganancia omnidireccional de 1 dBi a 40° de elevación en 7 MHz, y principalmente radiación de ángulo bajo con nulo en la dirección vertical y ganancia de 4 dBi ±1 dBi a una elevación de 40° sobre un acimut de 30° a 240° en 14 MHz. |
La estación estaba en una ubicación urbana en el área de Sacramento, California, a 40 m de una vía principal y a 200 m de un centro comercial cercano. La polarización de la antena era horizontal y se esperaba que redujera el impacto del ruido local producido por el hombre predominantemente polarizado verticalmente.
El 23 de enero de 2011, se colocaron estranguladores de modo común en la línea de transmisión en el punto de alimentación de la antena y la ventana de la estación para disminuir el ruido de modo común. A las 0400 UTC del 3 de febrero de 2011, los niveles de ruido de fondo en este lugar se midieron como -138 dBm/Hz a 7 MHz y -139 dBm/Hz a 14 MHz.
La estación WSPR de comparación (WB6RQN) constaba de un transceptor Flex Radio 5000 que funcionaba con una salida de 2 o 5 vatios (33-37 dBm) y una antena Gap Titan DX (Fig. 3). Rohre 11 describió el Gap Titan DX como un dipolo vertical elevado, asimétrico y acortado con desacopladores lineales de baja pérdida para cargar las diferentes bandas. Aunque el fabricante no proporciona especificaciones de ganancia ni de patrón de radiación, se espera que un dipolo acortado presente una ganancia y eficiencia reducidas en comparación con un dipolo de media onda de longitud completa. También se espera que un dipolo vertical irradie principalmente en ángulos bajos con un nulo en la dirección vertical. Un estudio de la antena GAP Titan DX realizado por Banz 12 informó una ganancia de -7,6 dB en relación con una antena vertical monobanda de referencia en 7 MHz y una ganancia relativa de casi 0 dB en 14 MHz.
La estación WB6RQN estaba ubicada en una zona residencial suburbana a 29 km al este de KP4MD. El nivel de ruido externo en invierno en un entorno de este tipo se indica en la Recomendación UIT-R P.372-7 13 como típicamente alrededor de -140 dBm/Hz a 7 MHz y -150 dBm/Hz a 14 MHz.
Se esperaba que nuestra relativa proximidad proporcionara rutas de señales ionosféricas similares a estaciones receptoras distantes. Sin embargo, los niveles de ruido ambiental y el rendimiento de la antena se encontraban entre los factores que se esperaba que produjeran diferencias significativas en las relaciones señal-ruido en las señales recibidas en nuestras respectivas estaciones.
COMPARACIÓN DEL RENDIMIENTO DE LA ANTENA UTILIZANDO DATOS WSPR
El mayor número de observaciones en la base de datos WSPR.net durante el período de estudio procedieron de la estación VE6PDQ en Edmonton, Alberta, Canadá (1.750 km de distancia), por lo que se seleccionaron los datos para la comparación. Los informes puntuales de KP4MD y WB6RQN en 7 MHz (19 y 20 de diciembre de 2010) y 14 MHz (13 y 14 de diciembre de 2010) se descargaron e importaron a una hoja de cálculo de Microsoft Excel y se trazaron gráficamente. Las relaciones señal-ruido informadas se ajustaron agregando el número apropiado de dB para compensar cualquier diferencial de potencia transmitida. Los informes puntuales para WB6RQN fueron menos numerosos que los de KP4MD, ya que WB6RQN operaba en modo de salto de frecuencia mientras que KP4MD operaba a tiempo completo en la frecuencia en estudio.
La Figura 5 muestra las relaciones señal/ruido para la ruta de la señal de 7 MHz durante diciembre de 2010 (número de manchas solares suavizadas de 14) entre KP4MD y VE6PDQ según lo calculado por VOACAP 14 , un programa gratuito de predicción de la propagación ionosférica. La Figura 6 compara las relaciones señal-ruido de 7 MHz observadas en VE6PDQ en Edmonton, Alberta, del 19 al 20 de diciembre de 2010.
Es evidente una correspondencia en las tendencias de las relaciones señal-ruido previstas y observadas a lo largo del tiempo. Las señales alcanzan su punto máximo prominente a las 1500 UTC en ambos gráficos, seguido de una caída en las señales centradas en las 2000 UTC. Entre las 16.00 y las 23.00 UTC, la antena GAP Titan DX (línea roja) pierde contacto, mientras que el ángulo de radiación más alto de la antena de cuadro (línea azul) mantiene el contacto con los modos de propagación de capa de doble salto F 1 y F 2 . Los picos de intensidad de la señal ocurren alrededor de las 0000-0200, 0800-1100 y 1500-1600 UTC separados por los correspondientes períodos de interrupción. Los informes de señal a ruido para la antena de cuadro fueron generalmente de 3 a 6 dB más altos que los del GAP Titan DX, excepto entre las 0800 y las 1100 UTC cuando las señales de la antena de cuadro fueron alrededor de 20 dB más fuertes.
La Figura 7 compara las relaciones señal-ruido de transmisiones de 7 MHz recibidas desde VE6PDQ durante este período. Los puntos de datos se agrupan aproximadamente en los mismos tiempos que los que se muestran en la Figura 5, con relaciones señal-ruido en WB6RQN consistentemente de 2 a 6 dB más altas en WB6RQN que en KP4MD. Si la propagación ionosférica es recíproca en ambas direcciones, esta diferencia puede reflejar variaciones en el rendimiento del receptor y en los niveles de ruido ambiental.
La Figura 8 muestra las relaciones señal-ruido para la ruta de la señal de 14 MHz durante diciembre de 2010. La Figura 9 compara las relaciones señal-ruido de 14 MHz observadas en VE6PDQ en Edmonton, Alberta, del 13 al 14 de diciembre de 2010.
Nuevamente, se observa una correspondencia en las tendencias de las relaciones señal-ruido previstas y observadas a lo largo del tiempo. Los informes puntuales ocurren solo durante las horas de luz locales entre las 16:00 y las 00:00, tanto en los datos pronosticados como en los observados. La antena de cuadro produjo relaciones señal-ruido consistentemente de 2 a 11 dB más altas que la antena Gap Titan DX.
La Figura 10 compara las relaciones señal-ruido de transmisiones de 14 MHz recibidas desde VE6PDQ durante este período. Estos datos también muestran poca variación en la propagación ionosférica durante el mismo período de tiempo, pero con informes de señal a ruido consistentemente de 2 a 11 dB más altos en KP4MD que en WB6RQN. Nuevamente, esta diferencia puede reflejar variaciones en el rendimiento del receptor y en los niveles de ruido ambiental.
- Los datos de la red WSPR permitieron comparar señales de dos antenas con un destino distante.
- Durante el período de estudio, los datos de la red WSPR corroboraron las predicciones de VOACAP sobre las tendencias en la propagación ionosférica.
- La antena de cuadro horizontal de onda completa de 40 metros produjo informes de relación señal-ruido consistentemente más altos (2 a 11 dB) que la antena Gap Titan DX. Las diferencias en los patrones de radiación y la eficiencia son causas probables.
- La antena de cuadro horizontal de onda completa de 40 metros con radiación predominantemente de ángulo alto mantuvo el contacto, mientras que la antena Gap Titan DX perdió señal cuando la propagación ionosférica cambió a un modo de saltos múltiples.
- La antena Gap Titan DX ofrece ventajas de montaje simple, tamaño compacto y una relación de onda estacionaria baja sin necesidad de resintonizar múltiples bandas de frecuencia, pero al ser una antena acortada compromete la eficiencia de la radiación.
- La antena de bucle de construcción simple y de bajo costo proporcionó intensidades de señal radiadas más altas en este estudio, pero requiere un área física mayor, soportes múltiples y ajuste de la unidad de sintonización de antena al cambiar las bandas de frecuencia.
- Programa WSPR , Taylor J, K1JT
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- Ruido radioeléctrico , Recomendación UIT-R P.372-7
- VOACAP (Programa de Análisis de Cobertura de Voice of America)