|
Trefwoorden |
De multiband G5RV antenne (Eerder
gepubliceerd in CQ-QSO, # 9/10, 2006) Inleiding De G5RV antenne werd door Louis
Varney (G5RV) beschreven in het Engelse radioamateur blad Radio Communications
in juli 1984 en was een tweede beschrijving na eerdere publicatie in
Sindsdien is deze antenne bij veel radio-amateurs toegepast, waarbij de fantasie over de 'juiste' uitvoering vaak een 'vrije vlucht' heeft genomen. Ook zijn er 'verbeteringen' van dit ontwerp in omloop, bedacht door zowel amateurs als door 'professionals', die niet meer dan variaties op het thema inhielden en geen wezenlijke verandering brachten. Door al deze aanpassingen en veranderingen heeft de G5RV antenne bij sommigen soms mythische proporties aangenomen die het ontwerp eerder in de sfeer van de 'wonder-antennes' terecht laten komen. Het lijkt daarom de moeite waard om eens opnieuw naar het basisontwerp van Louis Varney te kijken en de antenne te analyseren met de middelen die ons op dit moment ten dienste staan. Volgens het verhaal van G5RV werd de antenne ontworpen als een in het midden gevoede, symmetrische 'long-wire' antenne op de 20 meterband, waarbij de open voedingslijn werkt als een 1 : 1 impedantie transformator, geschikt voor aanpassing op 75 Ohm twinlead of 50 - 80 coaxiale voedingsleiding, met een lage SWR. Op alle andere banden fungeert de open voedingslijn als een aanpassingssectie om de wat 'wildere' antenne-impedanties naar 'aanvaardbare' waarden te transformeren voor aanpassing met een lage(re) SWR. Uit deze beschrijving blijkt al
dat de antenne alleen op de Verder zegt Louis Varney dat de
antenne geschikt zou zijn voor alle HF banden, t.w. 80, 40, 30, 20, 17, 15,
12 en De antenne hoogte zou verder
niet kritisch zijn en zou, hoewel de antenne ontworpen is voor een hoogte van
Over de overgang van de gebalanceerde voedingslijn naar de ongebalanceerde coax zegt de auteur, dat een balun niet nodig is. Dit laatste wordt echter in hetzelfde artikel weer door hem tegengesproken wanneer hij beschrijft: "Under
certain conditions, either due to the inherent
"unbalanced-to-balanced" effect caused by the direct connection of
a coaxial feeder to the base of the (balanced) matching section, or to
pick-up of energy radiated by the antenna, a current may flow on the outside
of the coaxial outer conductor. This effect may be considerably reduced, or
eliminated, by winding the coaxial cable feeder into a coil of 8 to 10 turns
about 6in in diameter immediately below the point of connection of the
coaxial cable to the base of the matching section." Dit laatste is de beschrijving van een 1 : 1 stroombalun, die in zijn eenvoudigste vorm ook wel mantelstroom smoorspoel wordt genoemd. Het is om meerdere redenen altijd verstandig om een goede balance-to-unbalans transformator (balun) toe te passen op elke overgang van een symmetrisch naar a-symmetrisch systeem wanneer we prijs stellen op de werking van de symmetrische kabel (common-mode stroom onderdrukking), en dus passen we bij de G5RV antenne toch maar altijd zo'n balun toe. Over de navolgende coax kabel
zegt Louis dat deze elke impedantie mag hebben tussen 50 en 80 Ohm omdat deze
op alle banden, behalve de Uit mijn verhaal "Waar blijft de PEP" weten we echter dat systeemverliezen hoog kunnen oplopen in niet-afgesloten coax kabels en daarom dient dit stuk voedingslijn bij de G5RV antenne zo kort mogelijk te blijven. In figuur 1 zien we de originele G5RV antenne.
De spanwijdte van de antenne is dus 102' of In deze tijd zijn er veel programma's beschikbaar waarmee het gedrag van antennes en voedingslijnen kan worden berekend. Voor de berekeningen van deze antenne heb ik gebruik gemaakt van het antenne berekenings-programma EZNEC en het transmissielijn programma TLW. De impedantie- en verdere berekeningen zijn gedaan met elementaire standaard formules, waarbij EXCEL een handig programma blijkt om deze mee uit te voeren. Om een goede indruk te krijgen
van het gedrag van de antenne, heb ik voor elke HF-band een dipool antenne
bekeken, die op dezelfde hoogte ( Leggen we de G5RV op elk bandmidden naast onze standaard dipool, dan ontstaat de volgende tabel (tabel 1):
In tabel 1 vallen een aantal zaken op. Als eerste zien we dat een
'gewone', resonante dipool antenne helemaal niet zo slecht is: de antenne
winst is goed en rond 7 dBi op elke HF-amateurband. Indien we deze antenne
aansluiten op een coaxkabel met een karakteristieke impedantie van 50 Ohm
(natuurlijk via een balun), dan blijkt de SWR gerieflijk laag te zijn en
geschikt voor directe aansluiting op een getransistoriseerde zender eindtrap.
Dat laatste blijkt waar te blijven over de hele betreffende HF-amateurband,
behalve voor de Vergelijken we de antennewinst van de standaard dipool met de G5RV antenne, dan zien we dat deze winst op alle banden vrijwel gelijk is en op de hogere banden (> 14 MHz) zelfs nog iets hoger wordt omdat er dan meerdere golflengtes op de antenne gaan passen, die meedoen met het stralingsdiagram. Als derde opvallende punt zien we dat de elevatiehoek voor de maximale antennewinst van beide antennes vrijwel gelijk is. Het moge duidelijk zijn dat dit geen toeval is en heeft alleen te maken met de hoogte boven de grond en het grondtype. Dit is voor beide antennes gelijk en dus vinden we gelijke opstralingshoeken bij de maximale antennewinst. Let op: Hoewel de opstralingshoeken voor de maximale antennewinst gelijk zijn, hoeft dit niet te gelden voor de maximale stralingsrichting. Bij de hogere banden passen er meerdere golflengtes op de G5RV antenne waardoor het totale stralingspatroon meer lobben zal vertonen (en meer diepe 'nullen' daar tussenin) dan de 'standaard dipool' en waardoor de hoofd stralingsrichting niet meer loodrecht op de antenne staat. Het volgend dat we uit de tabel kunnen leren, is dat SWR (t.o.v. 50 Ohm) van de G5RV beslist ongunstiger is dan bij de dipool antenne, behalve misschien op 14,175 MHz, waarvoor de G5RV in eerste instantie was bedoeld. Als we naar de naastliggende kolom kijken dan zien we dat de aanpassing op 300 Ohm beslist vriendelijker uitpakt. Als een (dipool-) antenne niet in resonantie wordt bedreven is het i.h.a. beter om een hoog-ohmige voedingslijn (open lijn) te kiezen omdat door de (dan) lagere SWR ook de verliezen hierin veel lager zullen zijn. Het tweede karakteristieke
element van de G5RV antenne is de aanpassingssectie. Ik heb deze gemodelleerd
als een stuk lintlijn van 300 Ohm,
Kijken we eerst naar de vierde kolom met de kabelverliezen. We zien hier dat ondanks de hoge kwaliteit van de kabel er toch enige verliezen ontstaan en wel des te meer naarmate de SWR hoger is; we zagen dit al uitvoeriger behandeld in het verhaal "Waar blijft de PEP". De hoogste waarde (1,12) vinden
we op de Als volgende valt op dat de SWR t.o.v. 300 Ohm aan het einde van de sectie nauwelijks is veranderd t.o.v. de SWR aan het begin (5e t.o.v. 2e kolom); in een verliesvrij transmissielijn systeem veranderd de SWR ook niet tussen het begin en het einde van de lijn. Dat we toch een klein verschil zien komt door de lijn verliezen; hoe hoger deze verliezen, hoe groter het SWR- verschil tussen het begin en het einde van de lijn. De SWR t.o.v. 50 Ohm is echter
wel veranderd, vergelijk maar eens de laatste met de derde kolom. De
impedantie-transformatie van de aanpassingssectie heeft hier zijn werk goed
gedaan omdat de SWR nu drastisch is verminderd; bij 3,65 MHz. van 1 : 108,6
naar 1 : 4,2! Deze verbetering geldt voor alle banden, al is het effect
minder dramatisch op de 30, 17 en Vergelijken we de laatste twee kolommen, dan zien we dat het inderdaad weinig uit maakt of we vanaf de aanpassingssectie verder gaan met een 50 Ohm of een 70 Ohm transmissielijn; de gunstige (en minder gunstige) transformaties verschillen nauwelijks. Zoals we eerder zagen, dienen we op de overgang van de symmetrische sectie naar de coaxiale voedingslijn een balans-naar-onbalans transformator toe te passen. In andere artikelen werd deze component uitvoerig behandeld (zie Balun) en waren de voorbeelden steeds gekozen voor een 50 Ohm systeem. Zoals we echter in het vorige deel al zagen is op het overgangspunt de SWR t.o.v. 50 Ohm ongelijk aan 1 : 1. Wat dit betekent voor de impedanties op dit punt vinden we in tabel 3.
In tabel 3 zien we de SWR t.o.v. 50 Ohm terug uit de vorige tabel, maar nu met de werkelijke impedanties die deze staande-golf verhouding veroorzaakten. Kijken we naar de laatste kolom, dan is het duidelijk dat de totale impedantie op dit punt over het algemeen (veel) hoger is dan 50 Ohm. In het eerder genoemde artikel over de balun konden we lezen dat de eigen impedantie van de balun vier maal of meer hoger moest zijn dan de systeem impedantie. Passen we dit toe op de informatie uit de 5e kolom van tabel 3, dan zien we dat de balun impedantie ca 1200 Ohm (of meer) moet zijn op 10,15 MHz. We mogen dan verwachten dat het op de andere frequenties ook goed zal gaan hoewel we bij 28,75 MHz. misschien alsnog een probleem krijgen omdat de (4C65-)ferriet eigenschappen dan gaan afnemen.
Uitgaande van 1200 Ohm op 10,15
MHz, moet de balun dus een zelfinductie hebben van ca
19 μH. Een Gebruiken we echter twee
gestapelde ringkernen van die afmeting, dan mogen we de windingfactor
verdubbelen (eigenlijk twee spoelen in serie) en komen we uit op n = wortel
(19/0,34) = 8 wdg., en dit is geen probleem, zoals we in de andere artikelen
al zagen. Met twee kernen gaat het maximaal toegestane vermogen in deze
component naar 8 Watt, voor een temperatuurverhoging van Hoe de antenne zich in de praktijk zal gedragen hangt af van een aantal factoren, waarvan we de meeste al hebben onderzocht in de voorgaande paragrafen. We kunnen deze en de nog ontbrekende nu uitrekenen en het resultaat vinden we dan in tabel 4. Hierbij wordt er vanuit gegaan dat de transceiver een vermogen van 100 Watt. ontwikkelt op elk van de genoemde frequenties.
In tabel 4 kijken we allereerst
naar het vermogen in de balun, de zesde kolom. Hoewel deze balun tot 8 Watt
kan dissiperen zien we dat het vermogen op de tien meter band te groot wordt;
dit is het directe gevolg van de hoge SWR die op deze band optreedt, waardoor
de impedantie te hoog wordt op het einde van de aanpassectie. Bijgevolg wordt
ook de spanning op de balun al te hoog bij een systeemvermogen van 100 Watt,
en daardoor ook het hierin gedissipeerde vermogen.
Omdat steeds met een continu vermogen wordt gerekend zou op In de tabel vinden we de
systeemverliezen in de aanpassectie (de Hoe de antenne verder zal presteren, hang af van het vermogen en ook van de antenne winst. Daarom is in de laatste kolom een vergelijking opgenomen van de G5RV antenne met de 'standaard dipool' die we al eerder noemden en waarvan de antennewinst is weergegeven in de tweede kolom. Het getal laat zien hoe een ontvangend station de G5RV zal ervaren (S-punt) t.o.v. de 'standaard dipool' antenne, indien aan de zenderkant snel tussen beide antennes zou worden omgeschakeld. In deze vergelijking zijn ook de systeemverliezen opgenomen in alle delen van de keten (tuner, balun, aanpassectie), zowel voor de G5RV als voor de 'standaard dipool' antenne. We mogen deze vergelijking maken, omdat we eerder ook al zagen dat de opstraalhoeken voor de maximale antenne winst van beide antennes op elke band precies gelijk zijn, hoewel de hoofdstraal richtingen kunnen verschillen. In de laatste kolom zien we dat de G5RV antenne op de meeste HF-banden een vergelijkbaar signaal zal produceren als de 'standaard dipool', en in de hogere banden zelfs nog iets beter. Hiermee is de G5RV een goede antenne waarmee met eenvoudige middelen een groot aantal HF-banden bereikt kan worden, zeker indien voldoende aandacht aan de balun wordt besteed. Let op: Omdat de lengte van de
voedingskabel tussen de balun en de tuner niet bekend is, is deze niet
opgenomen in tabel 4. Als de SWR hoog wordt, zoals op de 30, 17 en In het proces heb ik ook enkele varianten van deze antenne doorgerekend, waaronder die van ZR1DQ, maar de verschillen bleken marginaal, zoals in de inleiding al werd vermeld. Bob J. van Donselaar,
on9cvd@veron.nl |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
