|
Trefwoorden |
KORTE ANTENNES:
wanneer bruikbaar Inleiding Een bekende antenne voor de 80 m. band is de dipool op ca. 10 m. hoogte boven de grond, met afmetingen van 2 x 20 m., ofwel in totaal ½ golflengte. Zo’n antenne is voor veel radio-amateurs in de stad een probleem, omdat men vaak onvoldoende ruimte vindt om zo’n antenne te kunnen uitspannen. Met kunst en vliegwerk (bv. verlengspoelen, top capaciteit) wordt vaak geprobeerd om toch op een kleinere afmeting uit te komen. Deze maatregelen hebben als bijwerking dat de bruikbare bandbreedte tussen de -3 dB punten kleiner wordt, zodat al snel naar een tuner moet worden omgekeken, om toch de antenne te kunnen aanpassen op de transceiver. Een andere mogelijkheid tot verkorting is de aanpassing via een transmissielijn ‘transformator’ zoals bv. bij de G5RV en varianten, maar dat gaat op sommige banden toch weer gepaard met grote(re) verliezen t.g.v. verhoogde SWR (bv. SWR = 33 re 50 Ohm op 3,6 MHz.). Je kunt je daarom afvragen, tot welke (kortere) lengte een draad antenne nog bruikbaar is voor amateur gebruik en vele amateurs denken dat een korte antenne minder efficiënt zal ‘afstralen’. Ik kreeg dan ook de vraag voorgelegd, vanaf welke (korte) lengte, de antenne zich als een dummy load ging gedragen. Om wat meer inzicht te krijgen in het gedrag van korte antennes, kijken we eerst naar de antenne ‘apertuur’. Het begrip antenne apertuur, in dit verhaal kortweg ‘apertuur’, komt overeen met het ontvangende oppervlak van een antenne, dus het oppervlak van een aankomende elektromagnetische golf, dat door de antenne wordt opgevangen en wordt omgezet in vermogen in de afsluitweerstand hiervan. Bij een hoorn antenne is dit gemakkelijk voor te stellen door het oppervlak van de ingang van de hoorn, omdat de hoorn zelf verder alle elektromagnetische straling uit andere richtingen zal afschermen. Ook draadantennes hebben zo’n apertuur, of ontvangend oppervlak, dat echter vele malen groter is dan het oppervlak van de antenne zelf. Wanneer we bv. een dipool antenne beschouwen die juist een halve golflengte lang is, dan is het fysieke oppervlak hiervan gelijk aan de lengte van deze antenne, bij een breedte gelijk aan de doorsnede van deze draad in de richting van het aankomend E-M veld, dus de diameter van de draad. Bij een antenne voor de 80 m. band en een draaddiameter van 2 mm. (standaard antenne ‘litze’), is deze maat gelijk aan 0,000025 λ, waardoor het fysieke oppervlak van bv. een halvegolf dipool-antenne voor de 80 m. band gelijk wordt aan 0.5 λ x 0,000025 λ = 0,0000125 λ2 . Op fysische gronden1) is echter af te leiden dat de effectieve apertuur van een halvegolf dipool-antenne, die afgesloten is met zijn stralingsweerstand, gelijk is aan 0,13 λ2 , dus een oppervlak van grofweg een halve golflengte lang (onze antenne lengte), bij een breedte van ¼ λ. Dat is dus ruim een factor 10.000 x zo groot als de fysieke afmetingen. De antenne ‘voelt’ dus het elektromagnetische veld over een aanzienlijk groter oppervlak dan alleen zijn fysieke afmetingen. We kunnen deze apertuur op dezelfde gronden bepalen voor veel antenne types en ook voor verschillende afmetingen daarvan. Wanneer we bv. de effectieve apertuur uitrekenen van een korte dipool van λ/10, dan blijkt die waarde 0,119 λ2 , en van de bekende, maar niet bestaande isotrope antenne met ‘puntvormige’ afmetingen toch nog 0,079 λ2. Het verschil in apertuur tussen de heel korte antenne van λ/10 en de bekende halve golfantenne van λ/2, is maar 0,8 dB., hetgeen bij een tegenstation iets meer dan 1/8 S-punt oplevert. Je vraagt je daarom misschien af, waarom efficiënte antennes zo lang moeten zijn? We zagen hiervoor, dat de afmetingen van de antenne nauwelijks verband houden met de apertuur, dus de mate waarin de antenne koppelt met het elektromagnetische veld. Eigenlijk wisten we dat ook wel, wanneer we denken aan een magnetische lus antenne, waarvan het ingesloten, fysieke oppervlak voor de 80 m. band (ca. 3 m. diameter) gelijk is aan 0,0011 λ2 (apertuur 0,119 λ2). Nog kleiner is de actieve antenne in de vorm van een plaatje van 10 x 10 cm. (fysiek oppervlak: 0,0000016 λ2, apertuur 0,079 λ2). Beide blijken uitstekend te functioneren als (ontvangst) antenne voor diezelfde 80 m. band, en laten hier vergelijkbare resultaten zien als de full-size dipool. Misschien wijs je hierbij direct naar de versterker die meteen achter het plaatje van de actieve antenne is aangesloten, maar deze vertoont een spanningsversterking van juist 1 x en werkt uitsluitend als impedantie transformator. Om te begrijpen welke zaken hier allemaal een rol spelen, heb ik de volgende tabel gemaakt van een antenne voor de 80 m. band, die op 10 m. hoogte boven gemiddelde aarde hangt. Deze antenne is gemaakt van antenne litze, met een diameter van 2 mm. Waar dit van toepassing is, is het toegevoerde vermogen gelijk aan 100 W. en vertegenwoordigt de aangegeven spanning de maximale waarde hiervan. De tuner is een laag-doorlatend model met een spoel: Q = 150 en condensator: Q = 1000; beide goed haalbare, praktische waarden. PL is het vermogen in de spoel van de tuner en Vc de spanning over de tuner condensator. In de laatste kolom staat het totale verlies in de gehele antenne tuner.
Tabel 1: Gedrag van een steeds kortere antenne met een antenne tuner direct hierop aangesloten. Kijken we naar de eerste twee kolommen van tabel 1, dan zien we dat de afmetingen van de dipool steeds 10 % korter worden (t.o.v. λ/2), zodat de kortste antenne nog maar een afmeting heeft van 1/10 λ. De derde kolom laat de totale antenne weerstand zien, dus de som van de stralingsweerstand en de koperverliezen in de antenne. In de 5e kolom staat de antenne winst, waar we in de eerste regel de bekende waarde van 6,12 dBi tegen komen. De antenne winst bij dit stralingsmaximum bestaat uit de som van het direct uitgestraalde vermogen plus de reflectie tegen aarde in deze maximale stralingsrichting. Er bestaat een direct verband tussen deze antenne winst en de apertuur van de antenne, wanneer de stralingsweerstand veel groter is dan de verliezen in het antenne materiaal. Bij de heel korte antenne van de laatste regel zien we twee effecten optreden: de apertuur (afgenomen met 0,8 dB, zie hiervoor) en de koperverliezen; het verschil van 1,36 dB tussen de eerste en laatste regel is dus de som van verminderde apertuur 0,8 dB en 0,56 dB. koperverlies. Die koper verliezen zijn eventueel nog beheersbaar, zoals bekend van de magnetische lus antenne, waarbij de eigenlijke antenne is uitgevoerd als een koperen buis van enkele tientallen millimeters doorsnede; meer koper en dus minder weerstand (koperverliezen) dan een enkele draad. In de vierde rij zien we de steeds hogere waarden van de reactantie, in serie met de steeds lagere waarden van de stralingsweerstand (derde rij). Natuurlijk is de negatieve reactantie steeds te compenseren met een even grote, positieve reactantie (spoel). Toch vormt deze toenemende reactantie het basisprobleem bij zeer korte antennes, zoals we verderop zullen zien. De zesde en volgende kolommen zijn de waarden die we vinden in een antenne tuner, die de steeds veranderende impedantie aan de klemmen van de antenne, moet overzetten naar de zuivere, resistieve waarde van 50 Ohm, zoals de transceiver die vraagt. De steeds groter worden reactieve waarde op de antenne (vierde kolom) wordt (vrijwel) gecompenseerd door de eveneens toenemende reactieve waarde van de spoel in de tuner. Hiervoor heb ik steeds een spoel gekozen met een kwaliteitsfactor Q = 150, omdat deze waarde met niet te dun koperdraad ook over langere tijd gehaald kan worden. Bij gelijkblijvende waarde van deze Q-factor nemen, bij groter wordende reactantie, ook de Ohmse verliezen toe. Omdat de totale antenneweerstand afneemt bij korter wordende antenne (derde kolom), moet de stroom in deze weerstand toenemen bij gelijkblijvend, toegevoerd vermogen (hier 100 W.). We zien nu twee effecten die elkaar versterken, nl. de toenemende stroom in de antenne en de toenemende weerstand in de spoel van de tuner. Tezamen zorgen deze effecten er voor, dat bij afnemende afmetingen van de antenne, het vermogen in tunerspoel (kolom 6) veel, en uiteindelijk alle, toegevoerde vermogen gaat opnemen, en er niets meer over blijft voor de antenne. Een andere manier om hier naar te kijken zijn de optredende spanningen in het hele antenne systeem. Wanneer er verder geen verliezen in de tuner zouden optreden, zou er bij 100 W. in de stralingsweerstand van 6,32 Ohm, een stroom lopen van 4 A. Deze stroom zou over de serie reactantie van 1395 Ohm een spanning doen ontstaan van ruim 5550 volt aan de antenne klemmen, dus ook aan de uitgang van de tuner. Met de verliezen in de tuner (bv. regel 44%, L = 47,7 uH, met Q = 150 wordt de spoelweerstand 7,19 Ohm) wordt de totale stroom nog enigszins beperkt maar krijgt de spoel het toch wel erg warm met een dissipatie van 66 W., of 66 % van het toegevoerde vermogen. Uit voorgaande voorbeelden wordt duidelijk dat het niet de antenne en de eigenschappen daarvan zijn, die een kortere antenne minder aantrekkelijk maken, maar vooral de verliezen in het systeem tussen de antenne en de transceiver, die bepalend zijn voor een al dan niet geslaagde antenne toepassing. Antenne toepassing in de praktijk Tot nu toe waren de voorbeelden eigenlijk nog niet helemaal volgens de praktijk. We kunnen immers zelden onze transceiver direct aan de tuner hangen, en deze direct aan de antenne. In een realistische situatie bevindt zich tussen de antenne en de tuner nog een aantal meters transmissielijn. Het is daarom zinvol ook die situatie eens te bekijken in de volgende tabel. Hierin is Pc het vermogen in de tuner condensator, die ondanks de Q-factor van 1000 toch niet geheel verliesvrij is. Door de hoger kabelverliezen zijn de verliezen in de tuner condensator nog laag, maar dat verandert gemakkelijk in andere omstandigheden.
Tabel 2: Kortere antenne met RG58U-voedingslijn en tuner In tabel 2 wordt de antenne via een (niet bestaande, verliesvrije) balun verbonden met een lengte van 15 m. RG58U. In de derde kolom zien we dat de antenne-impedantie na deze kabel werd getransformeerd naar wederom lage resistieve waarden (derde kolom) en nu ook naar veel lagere reactieve waarden (vierde kolom). De verliezen in deze transmissielijn lopen echter al spoedig op tot hoge waarden, waardoor dit ook geen goede oplossing lijkt. De laatste kolom geeft de som van alle systeemverliezen. Wanneer je deze kolom vergelijkt met de kabelverliezen alleen (5e kolom), dan wordt duidelijk de transmissielijn verreweg de grootste verliezen voor zijn rekening neemt. Het regime voor de tuner is nu echter veel vriendelijke geworden, ook al omdat na alle verliezen in de RG58U kabel, er geen excessieve spanningen en stromen meer voorkomen. Uit de totale verliezen in de keten tussen antenne en de uitgang naar de transceiver blijkt, dat hier een antenne verkorting tot 80 % al niet meer goed bruikbaar; bij 8,04 dB kabelverlies wordt nog maar 28 % van het toegevoerde vermogen uitgestraald en blijft 72 % van dit vermogen achter in deze kabelverliezen. We kunnen natuurlijk ook kiezen voor een betere transmissielijn, en voor dit verhaal kiezen we dan ook voor een van de meest verliesvrije materialen; 450 Ohm ladderlijn. De resultaten vinden we weer in de volgende tabel.
Tabel 3:
Kortere antenne met 450 Ohm ladderlijn. In tabel 3 zien we na 15 m. ladderlijn de antenneweerstand na transformatie ook weer lage waarden aannemen, maar de reactanties blijven beperkt in grote, op de eerste regel na, waar de antenne impedantie een grotere afwijking vertoont. De totale lijnverliezen tot een antennelengte van 50% (2 x 10 m. voor deze 3,6 MHz. situatie) zijn met ca. 3 dB nog te overzien en ook het vermogen in de tunerspoel is tot 50 % van de resonantielengte met een verlies van enkele Watts nog best aanvaardbaar. De verdere spanningen en verliesvermogens binnen de tuner vallen ook goed mee en de totale systeem verliezen tot de lengte van 50 % leveren aan de ontvangstzijde ook maar een verlies van ca. 0,5 S-punt t.o.v. een ideale situatie. Met de 450 Ohm ladderlijn pakt het totale antennesysteem dus gunstig uit, zelfs gunstiger dan in de situatie met de tuner direct aan de antenne. Door toepassing van dit type transmissielijn en de daarmee samenhangende impedantie transformatie is het dus goed mogelijk om met de helft kortere antenne (2 x 10 m.) dan de antenne in resonantie (2 x 20 m.) toch een efficiënt antenne systeem te ontwerpen, dat nauwelijks onder doet voor de gebruikelijke halve-golf antenne in serie-resonantie. Er hangt wel een prijskaartje aan deze oplossing in de vorm van een (symmetrische) antenne tuner, maar die hadden we toch al nodig wanneer we de halve golf antenne (in resonantie ca. 50 Ohm, zie eerste tabel) buiten de bruikbare -3 dB bandbreedte (maar nog steeds binnen de 80 m. amateurband) willen bedrijven, omdat de transceiver dat nu eenmaal vereist. Gezien de goede resultaten met de, voor de 80 m. band tot de helft ingekorte antenne, is het zinvol om nog even verder te kijken en te zien of deze antenne-configuratie ook bruikbaar zou zijn op andere banden. Voor dit onderzoekje heb ik bekeken wat de gebruiksresultaten zouden kunnen zijn op alle HF amateur banden tot en met de 10 m. band. De volgende tabel ontstaat dan:
Tabel 4: Gedrag van het verkorte antenne systeem op alle HF banden.
In tabel 4 zien we dat onze antenne met een lengte van 2 x 10 m. op een hoogte van 10m. boven gemiddelde grond een zeer bruikbare all-band antenne oplevert. Ook de maximale antenne winst blijft op alle amateurbanden op een zeer aanvaardbare waarde. Verder treden er nauwelijks verliezen op in de transmissielijn noch in de tuner, en ook het verliesvermogen in de tunerspoel komt nergens tot onaanvaardbaar hoge waarden. Ook de spanning over de tuner condensator blijft overal netjes beneden 1000 volt, zodat met een plaatafstand van 1 mm. kan worden volstaan. Met deze eigenschappen wordt dit antenne systeem zelfs gunstiger dan de bekende G5RV uitvoering, die in zijn originele uitvoering niet alleen langer is (2 x 15,5 m.), maar ook, en vooral op de WARC banden een hogere systeem demping vertoont. Natuurlijk heb ik ook even onderzocht hoe kritisch deze (ON9CVD?) antenne wordt voor de diverse onderdelen. In de derde tabel zagen we al antennelengtes vanaf een halve golf tot 50 % daarvan een goed bruikbaar concept opleveren, waarbij de uitvoering met een lengte van 50 %, gevoed met 15 m. ladderlijn, de meest gunstige is v.w.b. het vermogen in de tunerspoel. De antennelengte is dus niet kritisch, zolang we maar niet korter gaan dan deze 50 %. Tweede component is de lengte van de transmissielijn. Deze heb ik onderzocht voor enkele kortere lengtes en ook langere, natuurlijk steeds met 450 Ohm ladderlijn. Het blijkt dat bij kortere lengtes dan 15 m. het vermogen in de tunerspoel al bij 50% met ca. 14 W. (bij 13 m. lintlijn) al ongemakkelijk hoog wordt op de 80 m. band. Op de andere amateur banden is dit veel minder en blijft ook de totale systeemdemping met maximaal 0,8 dB mooi laag voor de 2 x 10 m. uitvoering. Het gedrag voor een transmissielijn van 15 m. hebben we uitvoerig kunnen zien in de tabellen. Ook bij een transmissielijn-lengte van 17 m. is het totale systeem gedrag goed te vergelijken met de uitvoering bij 15 m., al moet de antenne lengte ook hier niet korter worden dan 50 % van de resonantielengte (λ/2). Het gedrag op hogere dan de 80 m. amateurband is vrijwel identiek aan die bij 15 m. 450 Ohm ladderlijn, met opnieuw zeer lage systeem totaal verliezen met een maximum van 0,69 dB. Conclusie Het ziet er naar uit dat deze antenne wel eens een heel gunstige keuze kan zijn voor mensen met een minder grote tuin. Het antennesysteem is verder niet erg kritisch voor de diverse afmetingen en levert minder systeemverliezen dan de bekende G5RV antenne, bij kleinere afmetingen. Bob J. van Donselaar, on9cvd@veron.nl 1)
John D. Kraus, Antennas, ISBN 0-07-100482-3: Basic antenna concepts |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||